СИСТЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ НА ПЛАВУЧЕЙ КОНСТРУКЦИИ И СУДНО, ПРИВОДИМОЕ В ДВИЖЕНИЕ ВЕТРОМ
FLOATING STRUCTURE FLUID DYNAMIC FORCE USE SYSTEM AND WIND-PROPELLED VESSEL

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к системе использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции, которая может быть использована для морского судна или морского сооружения, подвергающегося боковой качке, и судна, приводимого в движение ветром, в котором используются аналогичные принципы.
Предшествующий уровень техники
[0002] На суше в качестве ветряной энергетической установки широко используются ветряные генераторы с горизонтальной осью вращения. Страны с развитым рынком ветряных генераторов встали перед проблемой нехватки площадей, подходящих для установки ветряных генераторов и обеспечивающих достаточную ветровую энергию. Следовательно, в таких странах требуется установка ветряных генераторов в морской прибрежной зоне, где могут быть доступны постоянная сила ветра и обширные площади. Однако на данный момент ветряные генераторы устанавливались в морской прибрежной зоне исключительно посредством способа, в котором, как и случае установки на суше, ветряной генератор устанавливается на фундаменте на морском дне в акватории рядом с береговой линией, имеющей очень малую глубину около 10 м.
[0003] Поскольку имеется намерение дальнейшего расширения установки в морской прибрежной зоне в будущем, требуется разработка практичного способа установки ветряного генератора в виде плавучей конструкции. Поскольку электроэнергия, как правило, требуется на суше, электроэнергия должна подаваться на сушу при помощи электрических проводов. Для сокращения потерь в процессе передачи ветряной генератор должен быть установлен рядом с сушей и должен быть установлен в области мелководного моря. Для ветряной энергетической установки плавучей конструкции, которая прогнозируется в качестве способа установки ветряного генератора в морской прибрежной зоне следующего поколения, в первую очередь, является желательным способ, который позволяет осуществлять экономичную установку в области мелководного моря, глубина воды в которой составляет приблизительно от 20 до 30 м.
[0004] Когда ветряной генератор преобразовывает энергию ветра во вращающую силу, ветряной генератор принимает значительную силу ветра. Значительная сила ветра генерирует момент, который производит опрокидывание ветряного генератора. Ветряной генератор с горизонтальной осью вращения, который развертывается на суше, принимает силу ветра в определенный момент посредством горизонтального вала, поддерживаемого в воздухе в высоком положении. Следовательно, в основании вертикальной опоры ветряного генератора с горизонтальной осью вращения генерируется огромный опрокидывающий момент. В ветряном генераторе с горизонтальной осью вращения ветряной генератор закреплен с возможностью вращения вокруг окружности верхнего конца опоры ветряного генератора, и ветряной генератор должен продолжать изменять свою ориентацию таким образом, чтобы ветряной генератор всегда мог быть обращен к ветру. Следовательно, невозможно обеспечить оттяжки для поддержания опоры для приема вышеописанного огромного момента. Соответственно, опора ветряного генератора с горизонтальной осью вращения должна быть максимально прочно прикреплена к земле, и является трудным осуществлять вращение ветряного генератора вместе с опорой для изменения направления ветряного генератора. Если поворотная платформа обеспечена на уровне земли, то опрокидывающий момент опоры не может быть получен кроме случая значительного увеличения диаметра поворотной платформы. Поэтому, как правило, поворотная платформа ветряного генератора с горизонтальной осью вращения обеспечивается сразу под гондолой, обеспеченной на верхнем конце опоры. При этом для обеспечения функций, необходимых для генерирования энергии при помощи ветра с использованием горизонтальной оси, необходимо обеспечивать такие устройства, как система опоры подшипника с горизонтальной осью вращения, повышающая зубчатая передача, электрогенератор, тормозной механизм и устройство управления шагом лопастей рядом с осью вращения ветряного генератора. Желательно располагать эти устройства ближе к ветряному генератору, чем поворотная платформа, для предотвращения изменений крутящего момента вращения и помех вращению поворотной платформы. Не только все эти основные устройства, но также и периферийные устройства, включающие в себя смазочную масляную систему, пульт управления и т.п., обеспечены в гондоле в воздухе. Следовательно, положение центра тяжести ветряного генератора с горизонтальной осью вращения находится на очень большой высоте. Кроме того, когда ветряной генератор с горизонтальной осью вращения жестко закреплен на плавучей конструкции, усиливается боковая качка с центром на плавучей конструкции на верхнем конце опоры, а затем генерируется излишняя боковая сила G. Следовательно, является нецелесообразным, чтобы устройства, расположенные в гондоле, имели такие прочностные свойства, смазочные системы и т.п., чтобы выдерживать такую боковую силу G.
[0005] Фиг. 17 схематично изображает в качестве сравнительного примера 1 взаимосвязь между углом наклона и моментом остойчивости в случае, когда ветряной генератор с горизонтальной осью вращения размещен на плавучей конструкции.
В целом, для того чтобы плавучая конструкция имела момент остойчивости, центр тяжести должен находиться в положении ниже, чем метацентр (пересечение оси плавания и диаметральной линии плавучей конструкции), расположенный рядом с плавучей конструкцией. В ветряном генераторе 200 с горизонтальной осью вращения, имеющем вышеописанную конфигурацию, все тяжелые устройства расположены высоко в воздухе, и, следовательно, центр G тяжести находится настолько высоко, что ветряной генератор 200 с горизонтальной осью вращения не может иметь момент остойчивости. Предположим случай, в котором ветряной генератор 200 с горизонтальной осью вращения наземного типа установлен посредством крепления к плавучей конструкции 201. В таком случае даже если угол наклона плавучей конструкции 201 является небольшим, сила F1 тяжести оказывает воздействие за пределами силы F2 плавучести, воздействующей на плавучую конструкцию 201, благодаря высокому центру G тяжести, как изображено на Фиг. 17. Следовательно, сила действует для выполнения дополнительного наклона плавучей конструкции 201. Помимо всего прочего плавучая конструкция 201 принимает огромный и изменяющийся опрокидывающий момент, в результате воздействия силы F3 ветра, полученной в высоком положении, как изображено на Фиг. 17.
Другими словами, поскольку плавучая конструкция 201 не имеет необходимого момента остойчивости и принимает огромный и изменяющийся опрокидывающий момент в результате воздействия силы F3 ветра, существует проблема, что такая структура является непрактичной в качестве плавучей конструкции.
[0006] Для решения этих проблем необходимо размещение всех основных устройств в нижнем положении на плавучей конструкции для того, чтобы центр G тяжести и высота рабочих зон для обслуживания была максимально уменьшена.
В случае ветряного генератора 200 с горизонтальной осью вращения, поворотная платформа должна быть расположена на верхнем конце опоры 202 ветряного генератора, за исключением случаев, когда нет возможности избежать необходимости жесткой фиксации опоры 202 ветряного генератора к плавучей конструкции 201, как видно из приведенного ранее примера наземного ветряного генератора. Следовательно, все устройства первичной обработки энергии размещены в гондоле 203 над поворотной платформой, и, следовательно, сложно обеспечить уменьшение высоты центра G тяжести.
[0007] Фиг. 18 схематично изображает в качестве сравнительного примера 2 взаимосвязь между углом наклона и моментом остойчивости в случае, когда ветряной генератор с вертикальной осью вращения размещен на плавучей конструкции, где часть (а) изображает состояние с небольшим углом наклона, часть (b) изображает состояние с увеличенным углом наклона, а часть (c) изображает состояние с еще более увеличенным углом наклона.
В отличие от ветряного генератора 200 с горизонтальной осью вращения из сравнительного примера 1 высота центра G тяжести ветряного генератора 300 с вертикальной осью вращения, как изображено на Фиг. 18, должна быть значительно уменьшена в связи с тем, что все тяжелые устройства могут быть обеспечены не высоко в воздухе, а на плавучей конструкции 301, как в случае размещения на суше, где тяжелые устройства обеспечены, как правило, в основании конструкции. Однако, как видно в примере с размещением на суше, в случае ветряного генератора 300 с вертикальной осью вращения, в котором опора 302 сама вращается при помощи ротора, сложно зафиксировать опоры 302 таким образом, чтобы выдерживать опрокидывающий момент обусловленный силой F3 ветра, и необходимо обеспечение оттяжек (не показаны) в четырех направлениях для поддержания верхнего конца опоры 302. Это неизбежно влечет за собой то, что плавучая конструкция имеет широкую поверхность палубы, не менее размера, требуемого для плавучей подводной части корпуса. Кроме того, помимо проблемы наличия оттяжек, уменьшение высоты центра тяжести до этой степени порождает следующую проблему. В частности, если угол наклона плавучей конструкции 301 в результате воздействия силы F3 ветра или аналогичной силы является небольшим, как изображено в части (а) из Фиг. 18, то проявляется момент остойчивости в связи с тем, что величина бокового смещения центра С плавучести больше, чем величина бокового смещения центра G тяжести на угол наклона. По мере дальнейшего увеличения угла наклона, как изображено на части (b) из Фиг. 18, боковое смещение центра G тяжести, в конечном счете, становится равным боковому смещению центра С плавучести, и момент остойчивости теряется. При дальнейшем наклоне сила, производящая дальнейший наклон, действует так, как изображено в части (с) из Фиг. 18. Другими словами, существует проблема, что момент остойчивости теряется и плавучая конструкция 301 опрокидывается, если угол наклона превышает определенное значение. Это явление возникает по следующим причинам. В частности, если центр G тяжести расположен над плавучей конструкцией 301, то центр G тяжести смещается в боковом направлении вследствие увеличения угла наклона. В данном случае, поскольку центр С плавучести не может быть расположен за пределами плавучей конструкции, боковое смещение центра G тяжести превышает боковое смещение центра С плавучести. Эта проблема неизбежна, если центр G тяжести расположен не выше ватерлинии плавучей конструкции 301.
[0008] Фиг. 19 схематично изображает в качестве сравнительного примера 3 взаимосвязь между углом наклона и моментом остойчивости в случае, если ветряной генератор с вертикальной осью вращения поддерживается таким образом, чтобы не иметь возможности отклонения относительно плавучей конструкции, и балласт предоставлен в воде.
Для обычной яхты была осуществлена такая система остойчивости, при которой балласт размещен в воде так, чтобы момент остойчивости проявлялся при любом угле наклона. При использовании такой системы остойчивости яхты возможен такой ветряной генератор 400 с вертикальной осью вращения, в котором опора 403 поддерживается таким образом, чтобы не быть способной к отклонению относительно плавучей конструкции 401, и балласт 402 обеспечен в воде изображенным на Фиг. 19 способом. Ветряной генератор 400 с вертикальной осью вращения может быть достигнут в связи с тем, что центр G тяжести ниже, чем центр вращения (центр С плавучести) движения наклона рядом с плавучей конструкцией 401. Однако в этой форме чрезмерное напряжение прикладывается к соединительной части 401а опоры 403 с плавучей конструкцией 401 и, следовательно, является непрактичным поддерживать опору 403 посредством одной только соединительной части 401а. Эта форма может быть получена, только если провода (не иллюстрированы), называемые передним подкосом или боковым подкосом, поддерживающими опоры 403, обеспечены в трех или четырех направлениях, как и в случае оттяжек ветряного генератора с вертикальной осью вращения на суше. Кроме того, когда эта конструкция применяется непосредственно в ветряной энергетической установке, которая эксплуатируется в пришвартованном в морской прибрежной зоне состоянии, операторы подвергаются опасности в связи с тем, что плавучая конструкция 401 значительно отклоняется под воздействием опоры 403. Кроме того, нагрузка на систему швартовки, которая подвергается воздействию под влиянием угла наклона плавучей конструкции 401, чрезмерно увеличивается, в частности, на мелководье.
[0009] Были изучены различные способы для преодоления недостаточной величины момента остойчивости такой плавучей конструкции. Примеры предложенных способов включают в себя способ, в котором каждый из нескольких ветряных генераторов с горизонтальной осью вращения расположен на одной огромной плавучей конструкции; способ, в котором размещено множество ветряных генераторов с горизонтальной осью вращения, и плавучие конструкции, поддерживающие ветряные генераторы с горизонтальной осью вращения, соответственно, жестко соединены друг с другом (см., например, патентный документ 1); способ, в котором остойчивость получается посредством использования использовании плавучей конструкции, называемой штангой, имеющей удлиненную цилиндрическую форму в продольном направлении, и тянущуюся глубоко под водой (см., например, патентный документ 2), способ под названием TLP (платформа с натяжным вертикальным якорным креплением), в котором плавучая конструкция стабилизируется посредством ее притягивания к морскому дну посредством металлических труб, называемых натяжными элементами, или подобного (см., например, патентный документ 3); и т.п.
[0010] Однако каждый из способов имеет такой недостаток, что размеры плавучей конструкции являются слишком большими относительно количества энергии, собираемой посредством системы в результате использования силы ветра, и, следовательно, затраты на постройку и затраты на монтаж являются слишком большими, что делает способ экономически нецелесообразным. Помимо всего прочего каждый из способов основан на концепции, в котором необходима определенная глубина дна, принимая во внимание изменение осадки огромной конструкции в результате боковой качки, осадки вытянутой в вертикальном направлении конструкции, диапазона геометрического перемещения натяжных элементов, осуществляющих натяжение в продольном направлении, и т.п. Следовательно, эти способы имеют такой недостаток, что эти способы не подходят для установки на мелководье рядом с сушей, где и необходима электроэнергия, как упомянуто выше.
Документ известного уровня техники
Патентный документ
[0011] Патентный документ 1: японская заявка на патент, публикация Kokai №2010-216273
Патентный документ 2: японская заявка на патент, публикация Kokai №2009-248792
Патентный документ 3: японская заявка на патент публикация Kokai, №2010-030379
Сущность изобретения
Проблема, которая должна быть решена посредством изобретения
Настоящее изобретение было выполнено с учетом описанных выше обстоятельств, и задача настоящего изобретение заключается в обеспечении системы для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции, которая может решить проблему опрокидывающего момента, получаемого в результате динамической силы жидкости и избежать наклона и увеличения размеров плавучей конструкции, судна, приводимого в движение ветром, с использованием системы для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции.
Средство для решения проблемы
[0013] Настоящее изобретение обеспечивает систему для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции, включающую в себя: установку для извлечения энергии из ветра или воды и плавучую конструкцию, поддерживающую установку, причем установка включает в себя часть приема силы, предназначенную для приема динамическую силу текучей среды, и опоры, поддерживающие часть приема силы, и установка имеет центр тяжести, расположенный под водой и поддерживаемый с возможностью отклонения в любом направлении относительно плавучей конструкции.
[0014] В соответствии с настоящим изобретением центр тяжести установки расположен под водой, и установка поддерживается с возможностью отклонения в любом направлении относительно плавучей конструкции. Следовательно, установка наклоняется в любом направлении после приема динамической силы текучей среды, в то время как сила тяжести, действующая на центр тяжести, имеющийся под водой, генерирует момент остойчивости, с центром в опорной части отклоняющегося вала, и который осуществляет воздействие для корректировки угла наклона. По мере увеличения угла наклона увеличивается и момент остойчивости и никогда не исчезает. Следовательно, сама установка может справиться с опрокидывающим моментом установки. По этой причине, плавучая конструкция не должна выполнять распределение опрокидывающего момента и, следовательно, не требуется обеспечение оттяжек, так что размеры плавучей конструкции могут быть уменьшены. Помимо всего прочего, поскольку установка поддерживается с возможностью отклонения относительно плавучей конструкции, наклон установки не производит наклон плавучей конструкции.
Отметим, что предполагается, что в качестве части приема силы используется любая конструкция из числа паруса, неподвижной лопасти, и ветряного генератора с горизонтальной или вертикальной осью вращения, которые принимают ветер, паруса для приема силы приливного течения, киля, рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения, которые принимают силу приливного течения, и т.п.
[0015] Кроме того, может быть использована конфигурация, в которой установка поддерживается с возможностью поворота относительно плавучей конструкции при помощи любой конструкции из числа цилиндрического шарнира, универсального шарнира, сферического шарикового подшипника и упругой опоры корпуса, расположенной между ними.
[0016] В соответствии с этой конфигурацией установка, имеющая значительный вес, может поддерживаться посредством плавучей конструкции простым и надежным способом, в то же время, имея возможность поворота.
[0017] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в которой установка поддерживается с возможностью вращения вокруг центральной оси опоры относительно плавучей конструкции.
[0018] В соответствии с этой конфигурацией если часть приема силы является частью вращающегося типа, то обеспечивается возможность вращения части приема силы, в то время как вся установка собрана в виде единого целого.
[0019] Кроме того, может быть использована конфигурация, в которой, по меньшей мере, сила ветра используется в качестве энергии потока жидкости, часть приема силы включает в себя ветроприемную часть, предназначенную для приема силы ветра в воздухе, а опора включает в себя верхнюю опору, поддерживающую ветроприемную часть, и нижнюю опору, поддерживающую балласт, расположенный под водой.
[0020] В соответствии с этой конфигурацией часть приема силы включает в себя ветроприемную часть, предназначенную для приема силы ветра в воздухе, а опора включает в себя верхнюю опору, поддерживающую ветроприемную часть, и нижнюю опору, поддерживающую балласт, расположенный под водой. Следовательно, в то время как ветроприемная часть и балласт поддерживаются посредством опоры, установленной таким образом, чтобы проходить сквозь плавучую конструкцию, вся установка может поддерживаться с возможностью отклонения и с возможностью вращения относительно плавучей конструкции.
Отметим, что, например, если ветроприемная часть является неподвижной лопастью, то необходимо изменять направление части приема силы в соответствии с направлением ветра. В этом случае, если балласт, сохраняющий равновесие в воде, имеет цилиндрическую или сферическую форму (форма, сохраняющую симметричность относительно оси вращения опоры при вращении), то верхняя опора, удерживающая часть приема силы в воздухе и нижняя опора, удерживающая балласт в воде, могут быть объединены друг с другом.
[0021] Кроме того, может быть использована конфигурация, в которой верхняя опора и нижняя опора соединены друг с другом коаксиально с возможностью вращения друг относительно друга в неподвижно закрепленном состоянии относительно центральной оси опоры при помощи размещенного между ними подшипника.
[0022] В соответствии с этой конфигурацией верхняя опора и нижняя опора соединены друг с другом коаксиально с возможностью вращения друг относительно друга в неподвижно закрепленном состоянии относительно центральной оси опоры при помощи размещенного между ними подшипника. Следовательно, нижняя опора и балласт могут быть сконфигурированы так, чтобы вращение не выполнялось даже при вращении верхней опоры и части приема силы. Поэтому, например, возможно предотвратить зацепление нижней опоры и балласта за плавучие объекты. Кроме того, например, также если неподвижная лопасть обеспечена над поверхностью воды, а киль и балласт обеспечены под водой, то между ними могут сохраняться оптимальные углы.
[0023] Кроме того, часть приема силы, предпочтительно, включает в себя ветряной генератор с горизонтальной осью вращения или ветряной генератор с вертикальной осью вращения.
[0024] В соответствии с конфигурацией даже если часть приема силы состоит из ветряного генератора с горизонтальной осью вращения или ветряного генератора с вертикальной осью вращения, центр тяжести установки расположен под водой, и вся установка, включающая в себя ветряной генератор, поддерживается с возможностью отклонения относительно плавучей конструкции. Следовательно, установка может справляться с опрокидывающим моментом и устранять наклон и увеличение размеров плавучей конструкции.
[0025] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в которой часть приема силы включает в себя рабочее колесо гидротурбины с горизонтальной осью вращения или рабочее колесо гидротурбины с вертикальной осью вращения, и рабочее колесо гидротурбины с горизонтальной осью вращения или рабочее колесо гидротурбины с вертикальной осью вращения располагаются под водой и функционируют в качестве балласта или части балласта.
[0026] В соответствии с этой конфигурацией даже если часть приема силы состоит из рабочего колеса гидротурбины с горизонтальной осью вращения или рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения, центр тяжести установки расположен под водой, и вся установка, включающая в себя рабочее колесо гидротурбины, поддерживается с возможностью отклонения относительно плавучей конструкции. Следовательно, может быть решена проблема опрокидывающего момента, и можно избежать наклона и увеличения размеров плавучей конструкции.
Кроме того, поскольку рабочее колесо гидротурбины с горизонтальной осью вращения или рабочее колесо гидротурбины с вертикальной осью вращения функционируют в качестве балласта или части балласта, не требуется обеспечение отдельного балласта, и конструкция может быть упрощена. Помимо всего прочего возможно использование конфигурации, в которой ветряной генератор и рабочее колесо гидротурбины обеспечены в верхней и нижней частях опоры.
[0027] Кроме того, может быть использована конфигурация, в которой верхняя опора и нижняя опора соединены друг с другом при помощи зубчатой передачи, расположенного между ними таким образом, чтобы выполнять коаксиальное вращение, одновременно сохраняя предварительно определенное относительное взаимное расположение при вращении, и поддерживаться с возможностью вращения и с возможностью поворота относительно плавучей конструкции.
[0028] В соответствии с этой конфигурацией верхняя опора и нижняя опора соединены друг с другом при помощи расположенного между ними зубчатой передачи. Следовательно, эти два элемента вращаются коаксиально друг с другом, сохраняя предварительно определенное относительное взаимное расположение при вращении. Следовательно, возможно использование конфигурации, посредством которой, когда расчетная скорость приливного течения и расчетная скорость ветра отличаются от друг друга, энергия может извлекаться из ветряного генератора и рабочего колеса гидротурбины, которые вращаются на число их оборотов, при котором достигается коэффициент полезного действия ветряного генератора и рабочего колеса гидротурбины. Например, предположим случай, в котором используется такая конфигурация, в котором ветроприемная часть является ветряным генератором с вертикальной осью вращения, часть балласта является рабочим колесом гидротурбины с вертикальной осью вращения, а верхняя опора и нижняя опора соединены друг с другом при помощи подшипников и расположенной между ними системы планетарной передачи или системы дифференциальной передачи, при этом являясь неподвижно закрепленными относительно оси так, чтобы верхняя опора и ветроприемная часть вращались множество раз за время одного вращения нижней опоры и рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения. В таком случае энергия может эффективно извлекаться из обоих элементов.
[0029] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в которой верхняя опора и нижняя опора имеют механизм, посредством которого вращение одной из верхней опоры и нижней опоры передается на другую при предварительно определенном режиме работы, в то время как вращение одной из верхней опоры и нижней опоры не передается на другую при другом режиме работы.
[0030] В соответствии с этой конфигурацией посредством объединения, например, храпового механизма, кулачковой муфты, вязкостной муфты, ограничителя вращающего момента или подобных элементов между верхней опорой и нижней опорой, вращения могут быть независимыми друг от друга, вращение может передаваться только в одном направлении, может предотвращаться превышение допустимой частоты вращения, или относительное вращение может быть заблокировано.
[0031] Кроме того, может быть использована конфигурация, в которой установка включает в себя часть извлечения энергии вращения, предназначенную для извлечения энергии вращения из вращения части приема силы, верхняя опора и нижняя опора сконфигурированы для вращения коаксиально друг другу в противоположных друг к другу направлениях, а часть извлечения энергии вращения расположена таким образом, чтобы обеспечивать возможность взаимного уничтожения вращающих моментов, сгенерированных после извлечения энергий вращения из верхней опоры и нижней опоры.
[0032] В соответствии с этой конфигурацией верхняя опора и нижняя опора сконфигурированы для вращения коаксиально друг другу в противоположных друг к другу направлениях, а часть извлечения энергии вращения закреплена таким образом, чтобы обеспечивать возможность взаимного уничтожения вращающих моментов. Следовательно, может быть уменьшено вращение плавучей конструкции и нагрузка на систему швартовки плавучей конструкции.
[0033] Более конкретно, например, когда энергия извлекается из вращения рабочего колеса гидротурбины, например, по часовой стрелке если смотреть сверху плавучей конструкции, то генерируется вращающий момент для вращения плавучей конструкции по часовой стрелке. Аналогично, когда энергия извлечена из вращения вертикальной оси ветряного генератора, одновременно генерируется вращающий момент для вращения плавучей конструкции.
В этих случаях плавучая конструкция вращается, и ее система швартовки закручивается. В некоторых случаях натяжение системы швартовки увеличивается в связи с тем, что система швартовки обматывается вокруг боковых поверхностей плавучей конструкции. Вращение плавучей конструкции не останавливается до момента достижения равновесия посредством генерирования противодействующего момента, который противодействует вращающему моменту. Это вызывает чрезмерный изгиб, усталость, износ элементов системы швартовки. В связи с этим как в настоящем изобретении, например, задаются направления хода лопастей ветряного генератора с вертикальной осью вращения и рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения, или между верхней опорой и нижней опорой обеспечивается зубчатая передача обратного вращения таким образом, чтобы, например, нижняя опора, на которой обеспечено рабочее колесо гидротурбины, и верхняя опора, на которой обеспечен ветряной генератор, всегда могли вращаться в противоположных направлениях. В таком случае вращающие моменты взаимно уничтожаться, и данная проблема может быть решена или частично устранена.
[0034] Кроме того, может быть использована конфигурация, в которой часть извлечения энергии вращения является электрогенератором, включающим в себя ротор и статор, причем ротор соединен с любой из верхней опоры и нижней опоры, в то время как статор соединен с другой из них, и электрогенератор генерирует электроэнергию на основе относительного движения между ротором и статором.
[0035] В соответствии с этой конфигурацией ротор соединен с одной из верхней опоры и нижней опоры, в то время как статор соединен с другой из них, и электроэнергия генерируется на основе относительного движения. Когда энергия вращения преобразуется в электроэнергию и выполняется ее извлечение, эта конфигурация делает возможным взаимное уничтожение вращающих моментов и использование электрогенератора меньших размеров в связи с тем, что может быть достигнуто относительно высокое количество оборотов, так что, например, количество полюсов электрогенератора может быть сокращено.
[0036] Кроме того, может быть использована конфигурация, в который часть приема силы включает в себя ветряной генератор с вертикальной осью вращения подъемного типа и рабочее колесо гидротурбины с вертикальной осью вращения буксируемого типа, и ветряной генератор с вертикальной осью вращения активируется посредством вращения рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения.
[0037] В соответствии с этой конфигурацией ветряной генератор с вертикальной осью вращения подъемного типа, который, в целом, является плохим в плане свойств самостоятельного пуска, может быть активирован посредством рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения буксируемого типа, имеющего относительно хорошие свойства пуска. Кроме того, поскольку рабочее колесо гидротурбины с вертикальной осью вращения расположено под водой, поток ветра, дующий в направлении ветряного генератора с вертикальной осью вращения, не возмущается, и возможно избежать понижения коэффициента полезного действия вращения ветряного генератора.
[0038] Более конкретно, среди ветряных генераторов с вертикальной осью вращения, ветряные генераторы подъемного типа, типичным примером которых служат ветряные генераторы Дарье, в целом, имеют высокий коэффициент полезного действия, и имеют преимущество в том плане, что ветряные генераторы подъемного типа не требуют никакого регулирования касательно порывов ветра, дующего в произвольном направлении. Однако ветряные генераторы подъемного типа имеют такое неудобство, что ветряные генераторы подъемного типа не могут быть запущены самостоятельно, и требуется их вращение во время пуска. Для преодоления этого неудобства был разработан ветряной генератор гироскопического типа, который может запускаться самостоятельно посредством добавления шарнирного механизма, посредством которого угол атаки варьируется между такими положениями, как наветренное положение и подветренное положение. Однако для ветряного генератора гироскопического типа требуется регулирование, выполняемое в соответствии с направлением ветра и взаимосвязью между скоростью вращения и скоростью ветра. Помимо всего прочего ветряные генераторы подъемного типа имеют такой недостаток, что механизм устанавливается в недоступном положении, и, следовательно, обслуживание механизма в морской прибрежной зоне является сложным. В практическое использование был введен подход, в котором недостаток в самостоятельного пуска дополняется посредством использования ветряного генератора Дарье в качестве ведущего ротора, и в сочетании ветряным генератором Савониуса, который имеет низкий коэффициент полезного действия, но имеет хорошую пусковую характеристику, или подобное устройство размещено внутри ветряного генератора Дарье. Однако этот подход имеет такой недостаток, что ветряной генератор Савониуса возмущает поток ветра, дующий в направлении ветряного генератора Дарье, и уменьшает коэффициент полезного действия. В настоящем изобретении, например, используется ветряной генератор Дарье, и ветряной генератор Дарье может быть запущен посредством использовании рабочего колеса гидротурбины Савониуса для силы приливного течения под поверхностью воды. При использовании этой конфигурации рабочее колесо гидротурбины Савониуса не возмущает поток жидкости, дующий в направлении ветряного генератора Дарье.
[0039] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в который часть приема силы включает в себя ветряной генератор с вертикальной осью вращения подъемного типа и рабочее колесо гидротурбины с вертикальной осью вращения буксируемого типа, в которой колесо гидротурбины с вертикальной осью вращения соединено с ветряным генератором с вертикальной осью вращения при помощи расположенного между ними ускоряющего устройства, и ускоряющее устройство выполняет передачу вращения колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения на ветряной генератор с вертикальной осью вращения, если скорость вращения ветряного генератора с вертикальной осью вращения до величины не выше скорости вращения рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения после ускорения, и не передает вращение рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения на ветряной генератор с вертикальной осью вращения, если скорость вращения ветряного генератора с вертикальной осью вращения выше, чем скорость вращения рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения после ускорения.
[0040] В соответствии с этой конфигурацией вращение рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения передается на ветряной генератор с вертикальной осью вращения, если скорость вращения ветряного генератора с вертикальной осью вращения не выше скорости вращения рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения. Следовательно, способность к активации ветряного генератора с вертикальной осью вращения подъемного типа может быть повышена. При этом вращение рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения не передается на ветряной генератор с вертикальной осью вращения, если скорость вращения ветряного генератора с вертикальной осью вращения выше скорости вращения рабочего колеса гидротурбины с вертикальной осью вращения после ускорения. Следовательно, рабочее колесо гидротурбины с вертикальной осью вращения не действует в качестве сопротивления.
[0041] Более конкретно, в общем случае расчетная скорость приливного течения значительно ниже расчетной скорости ветра. Помимо всего прочего ротор Савониуса имеет высокий коэффициент полезного действия, если периферийная скорость части с максимальным диаметром ротора примерно равна скорости жидкости, тогда как ротор Дарье имеет высокий коэффициент полезного действия, если периферийная скорость приблизительно в 4-6 раз превышает скорость ветра. Следовательно, осевое вращение рабочего колеса гидротурбины Савониуса предпочтительно передается на осевое вращение ветряного генератора Дарье после его ускорения. При этом, если скорость ветра увеличивается, то является предпочтительным, чтобы осевое вращение ветряного генератора было отделено от передачи вращения для того, чтобы рабочее колесо гидротурбины не служило в качестве тормоза, или чтобы передача выполнялась только в одном направлении. Отметим, что поскольку скорость приливной волны, как правило, является очень низкой, но удельный вес воды в 800 раз превышает удельный вес воздуха, ветряной генератор Дарье в воздухе может быть запущен посредством размещения для запуска в воде рабочего колеса гидротурбины Савониуса, имеющей размеры, примерно равные размерам ветряного генератора Дарье, расположенного в воздухе, для выполнения активации. Эта конфигурация является особенно удобной в акваториях, включающих в себя акватории, расположенные около Японии, которые имеют такие характеристики, что приливная волна имеет низкую скорость потока, но является относительно частой, что скорость ветра является быстрой, если дует ветер, но ветер часто затихает, и что направление ветра не является постоянным, и т.п.
[0042] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в которой установка имеет плавучесть примерно равную собственному весу установки и поддерживается в вертикальном положении с возможностью перемещения относительно плавучей конструкции, и часть извлечения энергии из вертикального перемещения обеспечена для извлечения энергии из относительного вертикального перемещения между установкой и плавучей конструкцией.
[0043] В соответствии с этой конфигурацией установка имеет плавучесть примерно равную собственному весу установки и поддерживается в вертикальном положении с возможностью перемещения относительно плавучей конструкции. Следовательно, когда плавучесть, действующая на эти два элемента, изменяется в результате воздействия волны, эти два элемента перемещаются вертикально относительно друг друга благодаря различию в характеристике последующего перемещении плавучей конструкции относительно этих двух элементов. Тогда, часть извлечения энергии из вертикального перемещения выполняет извлечение энергии (энергии волны) из относительного вертикального перемещения между плавучей конструкцией и установкой.
Отметим, что установка подвергается относительно небольшому изменению плавучести вследствие изменения осадки, и ее вертикальный ход имеет продолжительный период благодаря ее относительно большому весу и ее относительно тонкой части, проникающей сквозь поверхность воды. При этом плавучая конструкция хорошо идет по волнам благодаря ее относительно малому весу и большой части, проникающей сквозь поверхность воды. Следовательно, посредством волн генерируется относительное вертикальное перемещение.
[0044] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в которой часть извлечения энергии из вертикального перемещения является линейным генератором, включающим в себя изолирующий трансформатор и статор, изолирующий трансформатор соединен либо с установкой, либо с плавучей конструкцией, в то время как статор соединен с другой из них, и линейный генератор генерирует электроэнергию на основе относительного перемещения между изолирующим трансформатором и статором.
[0045] В соответствии с этой конфигурацией часть извлечения энергии из вертикального перемещения является линейным генератором, включающим в себя изолирующий трансформатор и статор, и, в линейном генераторе, изолирующий трансформатор соединен либо с установкой, либо с плавучей конструкцией, в то время как статор соединен с другой из них. Следовательно, электроэнергия может быть сгенерирована непосредственно из относительного вертикального перемещения между установкой и плавучей конструкцией.
[0046] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в который часть извлечения энергии из вертикального перемещения включает в себя механизм преобразования силы вращения, включающий в себя любой из следующих элементов: шарикового винта, реечно-шестереночного механизма, соединительного кривошипно-шатунного механизма и гироскопа.
В соответствии с этой конфигурацией механизм преобразования силы вращения, такой, как шариковый винт, реечно-шестереночный механизм, соединительный кривошипно-шатунный механизм или гироскоп преобразовывают вертикальное перемещение во вращение. Следовательно, энергия вертикального перемещения может быть использована для выработки электроэнергии в более эффективном электрогенераторе вращающегося типа.
[0048] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в которой часть приема силы включает в себя, по меньшей мере, либо ветряной генератор с вертикальной осью вращения подъемного типа, либо рабочее колесо гидротурбины с вертикальной осью вращения подъемного типа, и активируется посредством силы вращения, полученной посредством механизма преобразования силы вращения.
[0049] В соответствии с этой конфигурацией сила вращения, полученная посредством механизма преобразования силы вращения, может быть передана на ветряной генератор Дарье или на рабочее колесо гидротурбины Савониуса, и использоваться для запуска ветряного генератора Дарье или рабочего колеса гидротурбины Савониуса. Кроме того, энергия ветра и энергия силы приливного течения могут быть объединены и использованы для выработки электроэнергии в электрогенераторе вращающегося типа.
[0050] Кроме того, настоящее изобретение обеспечивает судно, приводимое в движение ветром, содержащее вышеописанную систему для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции, в котором плавучая конструкция является корпусом, часть приема силы включает в себя ветроприемную часть для приема силы ветра в воздухе, опора включает в себя верхнюю опору, поддерживающую ветроприемную часть, и нижнюю опору, поддерживающую балласт, расположенный под водой, и судно, приводимое в движение ветром, включает в себя гребной винт, который расположен под водой и который вращается посредством силы ветра, принимаемой посредством ветроприемной части, по существу, вокруг горизонтальной оси.
[0051] В соответствии с этой конфигурацией корпус может приводиться в движение посредством гребного винта, вращаемого, по существу, вокруг горизонтальной оси, посредством силы ветра, принимаемой посредством ветроприемной части. В данном случае установка, включающая в себя ветроприемную часть, и опоры сконфигурированы таким образом, чтобы иметь возможность отклонения относительно корпуса, а центр тяжести установки расположен под водой. Следовательно, даже если на судне помещается ветряной генератор, имеющий часть приема силы, достаточно большую для получения достаточной тяги, может быть обеспечено безопасное судно, приводимое в движение ветром, имеющее достаточный момент остойчивости, и можно избежать наклона и увеличения размеров корпуса.
Отметим, что во время плавания, установка, предпочтительно, ограничивается наличием возможности отклонения только в направлении боковой качки корпуса посредством ограничительного устройства, предназначенного для ограничения направления наклона установки.
[0052] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в которой гребной винт судна, приводимого в движение ветром, расположен в балласте.
[0053] В соответствии с этой конфигурацией, например, вращение ветряного генератора с вертикальной осью вращения ускоряется и передается на вал, проходящий сквозь внутреннюю часть балласта к самому дну, и преобразуется во вращение вокруг горизонтальной оси посредством конической зубчатой передачи, обеспеченной внутри балласта. Затем, обеспеченный в нем гребной винт может вращаться для приведения в движение посредством вращения вокруг горизонтальной оси.
[0054] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в которой балласт или нижняя опора функционируют в качестве киля подъемного типа.
[0055] В соответствии с этой конфигурацией балласт или нижняя опора функционируют в качестве киля подъемного типа. Следовательно, угол атаки киля может регулироваться посредством вращения нижней опоры.
[0056] Более конкретно, если судно, приводимое в движение посредством приема значительной энергии ветра, плывет при встречном ветре, то паруса судна выкладываются по ветру посредством их толкания ветром. То же касается и яхты. В случае яхты с высоким коэффициентом полезного действия, киль в воде имеет угол атаки, получаемый в результате воздействия комбинированной скорости, состоящей из скорости бокового скольжения и скорости по прямой, и равновесие сохраняется в связи с тем, что в киле генерируется подъемная сила, толкающая яхту против ветра. Однако равновесие достигается, только если происходит, в определенной степени, боковое скольжение. Следовательно, увеличение сопротивления корпуса посредством бокового скольжения является неизбежным. В настоящем изобретении, система балластного киля, поддерживаемая с возможностью вращения, позволяет обеспечивать угол атаки к килю таким образом, чтобы в киле могла быть сгенерирована подъемная сила, предназначенная для толкания против ветра, даже если не происходит никакого бокового скольжения. Следовательно, корпус может плыть по прямой, обращенным в направлении хода, и сопротивление корпуса может быть уменьшено.
[0057] Помимо всего прочего может быть использована конфигурация, в который судно, приводимое в движение ветром, включает в себя две установки, каждая из которых является установкой установленной в передней или задней части корпуса, и эти два киля вращаются таким образом, чтобы направление углов атаки было одинаковым в процессе плавания по прямой при встречном ветре, в то время как киль, расположенный в переднем конце, и киль, расположенный в заднем конце, вращаются таким образом, чтобы иметь углы атаки, имеющие противоположные друг к другу направления во время поворота.
[0058] В соответствии с этой конфигурацией эти два киля вращаются таким образом, чтобы направление углов атаки было одинаковым в процессе плавания по прямой при встречном ветре, в то время как киль, расположенный в переднем конце, и киль, расположенный в заднем конце, вращаются таким образом, чтобы иметь углы атаки, имеющие противоположные друг к другу направления во время поворота. Следовательно, посредством устранения руля может быть получено судно, приводимое в движение ветром, имеющее высокий коэффициент полезного действия и низкое сопротивление.
Эффекты изобретения
[0059] Как было описано выше, в системе для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции из настоящего изобретения установка, центр тяжести которой находится в воде, поддерживается с возможностью отклонения посредством плавучей конструкции. Следовательно, настоящее изобретение может достигать таких эффектов, что возможно справиться с опрокидывающим моментом, получаемым в результате воздействия огромной и колеблющейся динамической силы текучей среды, что плавучая конструкция не наклоняется, даже если часть приема силы, находящаяся в воздухе, принимает значительную силу и наклоняется так, чтобы всегда мог быть сохранен момент остойчивости плавучей конструкции, и что оператору может быть обеспечен безопасный доступ для осмотра и т.п.
[0060] Помимо всего прочего, если часть приема силы, находящаяся в воздухе или в воде, подвергается воздействию чрезмерной скорости жидкости, то часть приема силы самопроизвольно наклоняется для высвобождения динамической силы текучей среды. Также в этом случае возможно достижение такого эффекта, что плавучая конструкция не наклоняется и сохраняет момент остойчивости.
[0061] Помимо всего прочего в соответствии с настоящим изобретением, поскольку нет необходимости размещения оттяжек, можно избежать увеличения размеров плавучей конструкции. Помимо всего прочего независимо от того, имеет ли ветряной генератор горизонтальную ось вращения или вертикальную ось вращения, большинство основных устройств, таких, как зубчатый редуктор, поворотная платформа и электрогенератор, может быть расположено на плавучей конструкции. Это упрощает осмотр и обслуживание, и, помимо всего прочего, может максимально уменьшить время работы на высоте с использованием подъемного крана, необходимого в периоды установки и функционирования.
[0062] Кроме того, поскольку может быть достигнута система, которая является самоподдерживающейся и остойчивой даже без ее швартовки, система может буксироваться после ее сборки на пристани. Следовательно, затраты на установку могут быть значительно сокращены. Помимо всего прочего посредством использования этой характеристики, настоящее изобретение может достигать такого эффекта, что может быть получено судно, приводимое в движение ветром, имеющее большой коэффициент полезного действия и размеры, в котором обеспечен механизм для приема силы, принимающий достаточную подъемную силу, чтобы являться основной частью двигательной установки, и который может плыть по прямой без боковой качки или бокового скольжения даже при встречном ветре.
Краткое описание чертежей
[0063] Фиг. 1 схематично изображает взаимосвязь между углом наклона и моментом остойчивости в случае, когда ветряной генератор с вертикальной осью вращения поддерживается с возможностью отклонения посредством плавучей конструкции в системе для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно первому варианту осуществления.
Фиг. 2 изображает увеличенные представления в поперечном разрезе соединительной части между установкой и плавучей конструкцией первого варианта осуществления, где часть (а) изображает вертикальное состояние, и часть (b) изображает наклонное состояние.
Фиг. 3 изображает опорную конструкцию, поддерживающую установку из первого варианта осуществления с возможностью поворота, где часть (а) является представлением в поперечном разрезе, часть (b) является перспективным представлением, а частью (с) является покомпонентным перспективным представлением.
Фиг. 4 схематично изображает случай, в котором ветряной генератор с горизонтальной осью вращения поддерживается с возможностью отклонения посредством плавучей конструкции в системе для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно второму варианту осуществления, где часть (а) изображает вертикальное состояние, а часть (b) изображает наклонное состояние.
Фиг. 5 изображает горизонтальные проекции системы для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно второму варианту осуществления, где часть (а) изображает состояние перед вращением, а часть (b), изображает состояние после вращения.
Фиг. 6 изображает увеличенные представления или представления в поперечном разрезе соединительной части между установкой и плавучей конструкцией из второго варианта осуществления, где часть (а) изображает вертикальное состояние, а часть (b) изображает наклонное состояние.
Фиг. 7 схематично изображает случай, в котором ветряной генератор с вертикальной осью вращения и рабочее колесо гидротурбины с вертикальной осью вращения поддерживаются с возможностью отклонения посредством плавучей конструкции в системе для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно третьему варианту осуществления, где часть (а) является боковой проекцией вертикального состояния, часть (b) является горизонтальной проекцией вертикального состояния, а часть (с) является представлением в поперечном разрезе рабочего колеса гидротурбины.
Фиг. 8 изображает увеличенные представления виды в поперечном разрезе, изображающие соединительную часть между установкой и плавучей конструкцией из третьего варианта осуществления, где часть (а) изображает вертикальное состояние, а часть (b) изображает наклонное состояние.
Фиг. 9 изображает боковую проекцию, схематично изображающую состояние, в котором система для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно третьему варианту осуществления принимает ответные меры против сильного ветра.
Фиг. 10 изображает боковые проекции, схематично изображающие случай, в котором вертикальное рабочее колесо гидротурбины, которое должно быть активировано посредством вертикального перемещения, поддерживается с возможностью отклонения посредством плавучей конструкции в системе для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно четвертому варианту осуществления, где часть (а) изображает вертикальное состояние, а часть (b) изображает наклонное состояние.
Фиг. 11 изображает увеличенные представления в поперечном разрезе соединительной части между установкой и плавучей конструкцией из четвертого варианта осуществления, где часть (а) изображает вертикальное состояние, а часть (b) изображает наклонное состояние.
Фиг. 12 схематично изображает судно, приводимое в движение ветром, согласно пятому варианту осуществления, где часть (а) изображает боковое представление, часть (b) изображает представление в поперечном разрезе вертикального состояния, а часть (с) изображает представление в поперечном разрезе наклонного состояния.
Фиг. 13 схематично изображает случай, в котором два ветряных генератора с вертикальной осью вращения установлены на судне, приводимом в движение ветром, согласно шестому варианту осуществления, где часть (а) изображает боковую проекцию, а часть (b) изображает горизонтальную проекцию.
Фиг. 14 изображает представление в поперечном разрезе судна, приводимого в движение ветром, согласно шестому варианту осуществления, где часть (а) изображает вертикальное состояние, а часть (b) изображают наклонное состояние.
Фиг. 15 изображает увеличенное представление в поперечном разрезе, изображающее соединительную часть между установкой и корпусом из шестого варианта осуществления.
Фиг. 16 изображает виды снизу судна, приводимого в движение ветром, согласно шестому варианту осуществления, где часть (а) изображает состояние килей во время плавания прямо вперед при встречном ветре, а часть (b) изображает состояние килей во время поворота.
Фиг. 17 схематично изображает в качестве сравнительного примера 1 взаимосвязь между углом наклона и моментом остойчивости в случае, если ветряной генератор с горизонтальной осью вращения размещен на плавучей конструкции.
Фиг. 18 схематично изображает в качестве сравнительного примера 2 взаимосвязь между углом наклона и моментом остойчивости в случае, если ветряной генератор с вертикальной осью вращения размещен на плавучей конструкции, где часть (а) изображает состояние с небольшим углом наклона, часть (b) изображает состояние с увеличенным углом наклона, а часть (с) изображает состояние с еще более увеличенным углом наклона.
Фиг. 19 схематично изображает в качестве сравнительного примера 3 взаимосвязь между углом наклона и моментом остойчивости в случае, если ветряной генератор с вертикальной осью вращения поддерживается таким образом, чтобы не иметь возможности наклона относительно плавучей конструкции, а балласт размещен в воде.
Способы реализации изобретения
[0064] Первый вариант осуществления
Система для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции 1 согласно первому варианту осуществления включает в себя, как изображено на Фиг. 1, установку 12, включающую в себя ветроприемную часть 10, которая установлена в воздухе и которая принимает ветер, и опоры 11; и плавучую конструкцию 13 поддерживающую установку с возможностью отклонения. Установка 12 включает в себя балласт 14 для установки центра 15 тяжести установки 12 под водой. Балласт 14 расположен в нижней оконечной части опоры 11. Отметим, что плавучая конструкция 13 соединена с якорями, которые на чертежах не иллюстрированы, с якорными оттяжками 13а.
[0065] Опорная конструкция, предназначенная для поддержки установки с возможностью отклонения 12 на плавучей конструкции 13, может являться цилиндрическим шарниром, универсальным шарниром, сферической опорной частью, упругой опорой корпуса, или подобным. В последующем описании случай, в котором в качестве примера принимается упругая опорная конструкция для корпуса, описан со ссылкой на Фиг. 2 и 3.
Как изображено на Фиг. 2, опора 11 включает в себя верхнюю опору 11а, поддерживающую ветроприемную часть 10, нижнюю опору 11b, поддерживающую балласт 14, и сферическую часть 17, расположенную между верхней опорой 11а и нижней опорой 11b. Опора 11 расположена в открытой части 13b, расположенной, по существу, в центре плавучей конструкции 13 таким образом, чтобы проходить через плавучую конструкцию 13. Открытая часть 13b имеет клиновидную форму, внутренний диаметр которой увеличивается в направлении вниз. Опорная рама 20, предназначенная для поддержки опоры 11, наложена на открытую часть 13b.
[0066] Как изображено на Фиг. 2 и 3, сферическая часть 17 установлена на упругой резиновой опоре 18 тороидальной формы и соединена с ней посредством вулканизации. Упругая резиновая опора 19 тороидальной формы также устанавливается на сферической части 17 и соединяется с ней посредством вулканизации. Помимо всего прочего внешние оконечные части обеих упругих резиновых опор 18 и 19 соединены посредством вулканизация со сферической внутренней поверхностью 20а опорной рамы 20. Сферическая внутренняя поверхность 20а имеет сферическую форму, концентрическую со сферической частью 17.
[0067] Упругие резиновые опоры 18 и 19 являются, например, элементами, используемыми для сейсмоизолирующих опор фундаментов зданий, и каждый из них включает в себя резиновые пластины и металлические пластины, сложенные в направлении (радиальном направлении сферической части 17) схематично изображенном на представлении в поперечном разрезе части (а) из Фиг. 3. Упругие резиновые опоры 18, и 19 имеют такую характеристику, что упругие резиновые опоры 18 и 19 упруго деформируются в ответ на сдвигающую силу, но имеют высокую жесткость при сжатии. Следовательно, вертикальное перемещение, горизонтальное смещение и т.п. сферической части 17 жестко ограничены вследствие характеристики сжатия резины тороидальной формы. Однако сферическая часть 17 упруго поддерживается относительно вращения вокруг центра вращения, который совпадает с центром сферической части 17 и сферической внутренней поверхности 20а благодаря характеристике сдвиговой деформации резины в тороидальной формы. Поэтому, как изображено на части (b) из Фиг. 2, установка 12 может поддерживаться с возможностью отклонения относительно плавучей конструкции 13.
[0068] Как изображено на Фиг. 2, опорная рама 20 соединена с плавучей конструкцией 13 при помощи размещенных между ними спиральных пружин 21 для упругой поддержки установки 12, которая, в противном случае будет отклоняться в диапазоне, превышающем расчетный диапазон отклонения. Отметим, что спиральные пружины 21 обеспечиваются только в случае необходимости и могут быть опущены.
[0069] Второй вариант осуществления
Система 1А для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно второму варианту осуществления отличается от системы из вышеописанного первого варианта осуществления главным образом в том, что ветряной генератор 30 с горизонтальной осью вращения используется в качестве части приема силы, и что верхняя опора 11а и нижняя опора 11b соединены друг с другом способом, допускающим их взаимное вращение.
В следующем описании, главным образом, описаны отличия от первого варианта осуществления и общие элементы обозначены посредством тех же самых ссылочных обозначений и не описаны.
[0070] Как изображено на части (а) из Фиг. 4, установка 12 из системы 1А для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции имеет ветряной генератор 30 с горизонтальной осью вращения на верхнем конце верхней опоры 11а. Кроме того, верхняя опора 11а соединена с возможностью вращения с нижней опорой 11b в неподвижно закрепленном состоянии относительно центральной оси опоры 11. В нижней оконечной части нижней опоры 11b размещен балласт 14, предназначенный для размещения центра тяжести установки 12 под водой. Установка 12 поддерживается с возможностью отклонения относительно плавучей конструкции 13.
[0071] Касательно установки 12 из системы 1А для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции, когда ветряной генератор 30 с горизонтальной осью вращения подвергается воздействию чрезмерной скорости ветра, установка 12, включающая в себя верхнюю опору 11а, поддерживающую ветряной генератор, наклоняется, в то время как плавучая конструкция 13 сохраняет горизонтальную остойчивость, как изображено на части (b) из Фиг. 4. Посредством этого наклона достигается эффект отражения ветра и эффект опускания ветроприемной части до высоты, где скорость ветра является низкой. Таким образом, сила ветра, принятая посредством ветряного генератора 30 с горизонтальной осью вращения, может быть значительно уменьшена. Этот принцип может уменьшить возможность повреждения ветряного генератора 30 с горизонтальной осью вращения посредством сильного ветра, и, соответственно, достигнуть такого эффекта, что ни система управления тангажом, ни система торможения не требуются в обязательном порядке.
[0072] Кроме того, поскольку установка 12 из системы 1А для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции сама имеет момент остойчивости, нет необходимости жесткой поддержки верхней опоры 11а посредством плавучей конструкции 13. Следовательно, как изображено на частях (а) и (b) из Фиг. 5, ветряной генератор 30 с горизонтальной осью вращения может поддерживаться таким образом, чтобы иметь возможность вращения вместе с верхней опорой 11а относительно плавучей конструкции 13. Поэтому поворотная платформа 31, которая является необходимой для ветряного генератора с горизонтальной осью вращения для обращения ветряного генератора в направлении ветра, может быть расположен не сразу под гондолой 32 в воздухе, а рядом с верхней частью палубы плавучей конструкции 13 (в верхней оконечной части нижней опоры 11b) как изображено на частях (а) и (b) из Фиг. 6.
[0073] Отметим, что при вращении опоры ветряного генератора, как правило, необходимо удерживать опору посредством расположения оттяжек в четырех направлениях, как видно на размещенном на суше ветряном генераторе Дарье с вертикальной осью вращения, в связи с тем, что опору трудно закрепить на нижнем конце. Однако в системе для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно второму варианту осуществления опрокидывающий момент опоры 11 непосредственно поддерживается посредством момента остойчивости балласта 14, обеспеченного таким образом, чтобы проходить через плавучую конструкцию 13, и, следовательно, устраняется необходимость получения силы противодействия для опрокидывающего момента из плавучей конструкции 13. Следовательно, обеспечивается возможность применения этой конфигурации.
[0074] Кроме того, традиционно повышающая зубчатая передача, электрогенератор и т.п. (не иллюстрированы), которые требуется располагать в гондоле 32, в связи с тем, что желательно закреплять их в положении, находящемся ближе к лопастям ветряного генератора, чем положение поворотной платформы 31, может быть предоставлен сразу над поворотной платформой 31, то есть в машинном отделении 33 (см. часть (а) из Фиг. 6) рядом с верхней частью палубы плавучей конструкции 13. В этом случае вращение вокруг горизонтальной оси в воздухе может быть преобразовано во вращение вокруг вертикальной оси посредством конической зубчатой передачи, расположенной в гондоле 32, для вращения промежуточного вала в верхней опоре 11а, и может быть передан на повышающую зубчатую передачу и электрогенератор в машинном отделении 33. В соответствии с этой конфигурацией каждая из системы управления тангажом, повышающей зубчатой передачи, ее масляной смазочной системы, электрогенератора, его пульта управления, тормозной системы и поворотной платформы, которые расположены в гондоле 32 в воздухе в типичном ветряном генераторе с горизонтальной осью вращения, может быть обеспечена на палубе рядом с плавучей конструкцией 13 или может быть устранена. Следовательно, эта конфигурация достигает большого эффекта улучшения в плане центра тяжести, а так таких эффектов, как, как ослабление воздействия морских условий, в которых может быть произведено обслуживание, сокращение затрат и риска, связанных с обслуживанием, ослабление воздействия расчетных условий, таких, как боковая динамическая нагрузка на машины, и предотвращение отказов, возникающих в результате воздействия боковой динамической нагрузки или подобного.
[0075] Как изображено на частях (а) и (b) из Фиг. 6, машинное отделение 33 и вставочная часть 34 вала расположены в нижней оконечной части верхней опоры 11а. Кроме того, поворотная платформа 31 расположена в верхней оконечной части нижней опоры 11b. Отверстие 35 для вала обеспечено в центре поворотной платформы 31 и подшипники 35а и 35а, поддерживающие с возможностью вращения вставочную часть 34 вала, установлены на верхнем конце и нижнем конце отверстия 35 для вала. Кроме того, сферическая часть 17 размещена на верхней стороне нижней опоры 11b ее как неотъемлемая часть. Следовательно, в установке 12, вся опора 11 поддерживается с возможностью отклонения относительно плавучей конструкции 13, а верхняя опора 11а и ветряной генератор 30 с горизонтальной осью вращения поддерживаются с возможностью вращения относительно плавучей конструкции 13.
[0076] Третий вариант осуществления
Система 1В для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно третьему варианту осуществления отличается от систем из первого и второго вариантов осуществления, главным образом, по следующим трем пунктам: (1) в качестве части приема силы используется ветряной генератор 40 Дарье; (2) рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса используется в качестве балласта 14; и (3) нижняя опора 11b также сконфигурирована таким образом, чтобы иметь возможность относительного вращения относительно плавучей конструкции 13.
В следующем описании, главным образом, описаны отличия от первого и второго вариантов осуществления и общие элементы обозначаются посредством тех же самых ссылочных обозначений и повторно не описываются.
[0077] Как изображено на частях (а) и (b) из Фиг. 7, система 1В использования динамической силы текучей среды согласно третьему варианту осуществления включает в себя в качестве части приема силы ветряной генератор 40 Дарье, который является им из ветряных генераторов с вертикальной осью вращения подъемного типа. Ветряной генератор 40 Дарье включает в себя верхнюю опору 11а, служащую в качестве вертикального вала, и три лопасти 41, равномерно размещенные вокруг верхней опоры 11а. Верхние оконечные части 41а и нижние оконечные части 41b лопастей 41 поддерживаются с возможностью вращения посредством верхнего кронштейна 42, расположенного в верхней оконечной части верхней опоры 11а, и нижнего кронштейна 43, расположенного на нижней оконечной стороне верхней опоры 11а в вертикальном направлении. Центральные части 41с лопастей 41 сконфигурированы в виде шарнирного соединения. Кроме того, нижний кронштейн 43 сконфигурирован таким образом, чтобы иметь возможность скольжения относительно верхней опоры 11а. Лопасти 41 сконфигурированы таким образом, чтобы радиус r вращения лопастей 41 мог изменяться посредством перемещения нижнего кронштейна 43 по вертикали для изгибания центральных частей 41с лопастей 41.
[0078] Рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса также имеет функцию балласта 14, и имеет верхнюю оконечную часть, поддерживаемую посредством нижней 11b опоры. Как изображено на части (с) из Фиг. 7, рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса включает в себя лопасти 51 и 51, имеющие такие формы, что цилиндр делится пополам в осевом направлении. Эти две лопасти 51 и 51 соединены друг с другом вдоль разделенной плоскости такой форме, что они смещены относительно друг друга. Рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса выполняет вращение, когда приливное течение проходит через пространство 51а, окруженное лопастями 51 и 51. Рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса согласно третьему варианту осуществления имеет структуру, в которой две ступени, каждая и которых включает в себя такие лопасти 51 и 51, вертикально расположены одна на другой и установлены таким образом, чтобы их фазы имели смещение друг относительно друга на 90 градусов.
[0079] Например, конфигурация, размеры, масса и т.п. рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса заданы таким образом, чтобы результат работы при расстоянии от центральной оси наклона опоры 11 до центра тяжести рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса и вес в воде рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса могли быть больше, чем результат работы при расстоянии от центральной оси наклона опоры 11 до центра тяжести ветряного генератора 40 Дарье и вес в воздухе ветряного генератора 40 Дарье. Следовательно, рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса также функционирует в качестве балласта 14 для того, чтобы центр тяжести установки 12 был расположен под водой и мог быть получен момент остойчивости.
[0080] Далее будет описана опорная конструкция установки 12 из третьего варианта осуществления со ссылкой на части (а) и (b) из Фиг. 8.
Как изображено на части (а) из Фиг. 8, верхняя опора 11а, нижняя опора 11b и сферическая часть 17 соединены друг с другом способом, обеспечивающим возможность их относительного вращения, из третьего варианта осуществления.
Нижняя оконечная часть верхней опоры 11а соединена как единое целое с верхней частью соединительного элемента 11с посредством конического хвостовика. Нижний конец соединительного элемента 11с вставлен в верхнюю оконечную часть нижней опоры 11b и соединен с ней с возможностью вращения. Кроме того, верхний конец соединительного элемента 11с имеет конусообразную форму, диаметр которой уменьшается в направлении вверх, и вставлен в часть 11a1 отверстия, сформированную в нижней оконечной части верхней опоры 11а, и имеющую перевернутую конусообразную форму. В верхней оконечной части 11c1 соединительного элемента 11с сформирована резьба. Затягивание гайки N производит перемещение соединительным элементом 11с нижней опоры 11b в направлении верхней опоры 11а, и они полностью соединяются друг с другом. Подшипники В размещены в подходящих положениях между соединительным элементом 11с и нижней опорой 11b, и соединительный элемент 11с и нижняя опора 11b способны вращаться друг относительно друга. Кроме того, сферическая часть 17 натягивается еще дальше за пределы верхней оконечной части нижней опоры 11b. Подшипник В расположен между сферической частью 17 и нижней опорой 11b, и сферическая часть 17 и нижняя опора 11b способны вращаться друг относительно друга. Сферическая часть 17 поддерживается с возможностью отклонения посредством опорной рамы 20 при помощи расположенных между ними упругих резиновых опор 18 и 19. Следовательно, верхняя опора 11а, нижняя опора 11b и сферическая часть 17 способны вращаться друг относительно друга, при этом являясь жестком соединенными друг с другом в неподвижно закрепленном состоянии в осевом направлении, и имеют возможность отклонения относительно плавучей конструкции 13, как изображено на части (b) из Фиг. 8.
[0081] Цилиндрическая часть 11d, имеющая цилиндрическую форму и открытую верхнюю часть, сформирована в верхней оконечной части нижней опоры 11b. Кроме того, зубчатая передача 60 и устройство 70 выработки электроэнергии расположены между цилиндрической частью 11d и соединительным элементом 11с (то есть между верхней опорой 11а и нижней опорой 11b).
[0081] Зубчатая передача 60 включает в себя, например, систему планетарной передачи и имеет функцию коаксиального вращения верхней опоры 11а и нижней опорой 11b в противоположных друг к другу направлениях. Зубчатая передача 60 включает в себя солнечное 61 зубчатое колесо, вырезанное вокруг соединительного элемента 11с, кольцевое зубчатое колесо 62, соединенное с цилиндрической частью 11d при помощи расположенной между ними храпового механизма 64, описываемого позже, и несколько планетарных зубчатых колес 63, установленных между солнечным зубчатым колесом 61 и кольцевым зубчатым колесом 62. Планетарные зубчатые колеса 63 неподвижно соединены со сферической частью 17 посредством не иллюстрированного на чертежах картера. Следовательно, например, когда рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса и нижняя опора 11b, при рассмотрении сверху, начинает вращение в направлении по часовой стрелке в результате воздействия приливной волны, зубчатая передача 60 вызывает начало вращения (активацию) в направлении против часовой стрелки, при рассмотрении сверху, верхней опоры 11а и ветряного генератора 40 Дарье. Это может улучшить свойства активации ветряного генератора 40 Дарье.
[0083] Кроме того, зубчатая передача 60 также имеет функцию ускоряющего устройства для ускорения вращения нижней опоры 11b и передачи ускоренного вращения на верхнюю опору 11а. Например, посредством регулирования передаточного числа системы планетарной передачи может быть выполнена настройка, в которой при одном повороте рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса (то есть кольцевого зубчатого колеса 62) ветряной генератор 40 Дарье (то есть солнечное зубчатое колесо 61) может вращаться множество раз (например, 8 раз). Следовательно, расчетная скорость вращения ветряного генератора и расчетная скорость вращения рабочего колеса гидротурбины могут быть установлены соответственно в соответствии со скоростью ветра и скоростью потока.
Например, описывается случай, в котором расчетная скорость приливной волны во время активации составляет 0,3 м/с и расчетная скорость ветра во время активации, составляет 3 м/с. Для ветряного генератора 40 Дарье для запуска самопроизвольного вращения необходимо активировать ветряной генератор 40 Дарье таким образом, чтобы периферийная скорость ветряного генератора 40 Дарье могла приблизительно в три раза или более превышать скорость ветра, то есть приблизительно 9 м/с или выше. Если радиус r вращения ветряного генератора 40 Дарье составляет 20 м, то необходимо вращать ветряной генератор 40 Дарье со скоростью 4,3 оборотов в минуту. С другой стороны, рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса вращается исключительно с периферийной скоростью, примерно равной скорости приливной волны. Если рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса имеет радиус 5 м, то периферийная скорость составляет приблизительно 0,6 оборотов в минуту. Следовательно, скорость вращения рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса ускоряется в 8 раз посредством системы планетарной передачи, размещенной между верхней опорой 11а, которая является валом ветряного генератора, и нижней опорой 11b, которая является валом рабочего колеса гидротурбины, и ускоренное вращение передается на ветряной генератор 40 Дарье. В этом случае скорость жидкости уменьшается до 1/10 по сравнению со случаем, в котором рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса размещено в воздухе. Следовательно, если удельные веса жидкостей равны, то сгенерированный вращающий момент составляет 1/100, что является квадратом от 1/10, и вращающий момент еще больше уменьшается до 1/8 вследствие ускорения. Следовательно, вращающий момент для активации ветряного генератора 40 Дарье составляет 1/800. Однако поскольку на практике удельный вес жидкости увеличен в 800 раз, ветряной генератор 40 Дарье может быть активирован посредством рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса, имеющее такие же размеры, что и рабочее колесо наземного типа.
[0085] В предварительно определенном режиме работы храповой механизм 64 имеет функцию отключения передачи вращения верхней опоры 11а на нижнюю опору 11b. В частности, если рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса, находящееся в остановленном состоянии, начинает вращение, то вращение рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса передается на кольцевое зубчатое колесо 62 через храповой механизм 64. Одновременно с вращением кольцевого механизма 62, ветряной генератор 40 Дарье, соединенный с солнечным зубчатым колесом 61, запускает вращение со скоростью в восемь раз превышающей скорость рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса в противоположном направлении. Затем скорость вращения ветряного генератора 40 Дарье достигает скорости, которая в восемь раз или более превышает скорость рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса (то есть ускоренную или выше скорость вращения рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса) в результате воздействия силы ветра, кольцевое зубчатое колесо 62 вращается вхолостую относительно храпового механизма 64. Таким образом, вращение ветряного генератора 40 Дарье больше не передается на рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса. Следовательно, рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса не служит в качестве нагрузки (тормоза) для ветряного генератора 40 Дарье.
[0086] Устройство 70 выработки электроэнергии, имеющее ротор 71 и статор 72, расположено в цилиндрической части 11d и под зубчатой передачей 60. Ротор 71 прикреплен к соединительному элементу 11с, а статор 72 прикреплен к цилиндрической части 11d. Соответственно, ротор 71 и статор 72 вращаются в противоположных направлениях в устройстве 70 выработки электроэнергии. Следовательно, устройство 70 выработки электроэнергии может эффективно генерировать электроэнергию на основе разности скоростей между ротором 71 и статором 72.
В данном случае между ротором 71 и статором 72 действует противодействующий момент. Однако ротор 71 и статор 72 прикреплены к верхней опоре 11а и нижней опоре 11b, соответственно, которые вращаются в противоположных направлениях. Следовательно, противодействующий момент гасится. Поэтому конструкция устройства швартовки, предназначенного для предотвращения вращения плавучей конструкции 13, может быть упрощена и ее размеры могут быть уменьшены.
[0087] Отметим, что в третьем варианте осуществления храповой механизм 75 также расположен между цилиндрической частью 11d и сферической частью 17. Следовательно, даже если, например, нет никакого приливного течения, электроэнергия может генерироваться без совместного вращения нижней опоры 11b и верхней опоры 11а.
[0088] Далее, со ссылкой на Фиг. 9, будет описан отводной механизм ветряного генератора 40 Дарье из третьего варианта осуществления.
Как изображено на Фиг. 9, лопасти 41 ветряного генератора 40 Дарье могут быть деформированы в форму прямых линий посредством скольжения нижнего кронштейна 43 вниз относительно верхней опоры 11а. Следовательно, радиус r вращения ветряного генератора 40 Дарье может быть сделан, по существу, нулевым для того, чтобы можно было предотвратить повреждение лопастей 41 посредством сильного ветра, а опрокидывающий момент может быть уменьшен посредством уменьшения ветроприемной площади.
[0089] Четвертый вариант осуществления
Система 1С для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно четвертому варианту осуществления отличается от систем с первого по третий варианты осуществления главным образом тем, что сама установка 80 имеет плавучесть, что электроэнергия генерируется на основе разности вертикальных перемещений, получаемых в результате воздействия волн между установкой 80 и плавучей конструкцией 13.
[0090] Как изображено на Фиг. 10, система 1С для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно четвертому варианту осуществления включает в себя установку 80, имеющую плавучесть, и плавучую конструкцию 13, поддерживающую установку 80 с возможностью отклонения, с возможностью вращения и с возможностью вертикального перемещения.
Установка 80, главным образом, включает в себя, например, рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения Дарье и опору 82, служащую в качестве торсионного вала. Установка 80 имеет плавучесть, достаточную для самостоятельного плавания установки 80 на поверхности воды посредством, например, формирования опоры 82 в форме полого элемента. Установка 80 имеет вертикально вытянутую форму, и, следовательно, менее вероятно будет подвержена влиянию вертикального перемещения поверхностью воды в результате воздействия волн. С другой стороны, плавучая конструкция 13, более вероятно будет подвержена влиянию вертикального перемещения поверхностью воды в результате воздействия волн, чем установка 80. Поэтому установка 80 и плавучая конструкция 13 перемещаются вертикально друг относительно друга в зависимости от различия между скоростями реагирования на волны.
[0091] Установка 80 поддерживается с возможностью отклонения посредством плавучей конструкции 13. Следовательно, даже если прикладывается большая сила приливного течения, установка 80 может наклоняться для высвобождения силы приливного течения, как изображено на части (b) из Фиг. 10. Кроме того, поскольку рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения функционирует в качестве балласта, установка 80 может восстанавливать вертикальное состояние.
Помимо всего прочего поскольку установка 80 поддерживается с возможностью вращения относительно плавучей конструкции 13, энергия приливной волны может быть извлечена, если устройство 70 выработки электроэнергии, описанное позже (см. Фиг. 11), вращается посредством вращения установки 80.
Кроме того, установка 80 поддерживается в вертикальном положении с возможностью перемещения относительно плавучей конструкции и включает в себя механизм 88 преобразования силы вращения для преобразования вертикального перемещения в силу вращения. Следовательно, относительное вертикальное перемещение установки 80 может быть преобразовано во вращательное движение и использовано в качестве силы для активации рабочего колеса 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения Дарье.
[0092] Далее со ссылкой на Фиг. 11 будет описана опорная конструкция системы 1С для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно четвертому варианту осуществления.
Как изображено на части (а) из Фиг. 11, сферическая часть 17 установки 80 поддерживается с возможностью отклонения посредством опорной рамы 20 при помощи размещенных между ними упругих резиновых опор 18 и 19, как и в случае других вышеописанных вариантов осуществления. Верхняя оконечная часть 83 опоры 82, служащая в качестве торсионного вала рабочего колеса 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения, установлена в центральной части сферической части 17, проходя через нее вертикально.
[0093] Шлицевый шариковый подшипник 86, который является подшипником линейного движения, вставляется в верхнюю оконечную часть 83 опоры 82. Шлицевый шариковый подшипник 86 размещен с возможностью перемещения в вертикальном направлении (осевом направлении) относительно верхней оконечной части 83 опоры 82. С другой стороны, шариковый подшипник 86 с пазами неподвижно удерживается посредством сферической части 17 в вертикальном положении. Помимо всего прочего шлицевый шариковый подшипник 86 зацепляется за паз шлицевого соединения 86а, вырезанный в верхней оконечной части 83 опоры 82, и, следовательно, сконфигурирован для вращения вместе с опорой 82. Ротор 71 устройства 70 выработки электроэнергии прикреплен к шлицевому шариковому подшипнику 86, а статор 72 прикреплен к внутренней периферийной поверхности сферической части 17. Следовательно, при вращении рабочего колеса 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения Дарье ротор 71 вращается вместе со шлицевым шариковым подшипником 86. Статор 72 не вращается в связи с тем, что он прикреплен к сферической части 17. Следовательно, электроэнергия генерируется на основе относительного вращения между ротором 71 и статором 72. Отметим, что противодействующий момент, сгенерированный в статоре 72, дает нагрузку на систему швартовки плавучей конструкции 13.
[0094] На части верхней оконечной части 83 опоры 82 нарезана резьба 83а, проходящая за пределы сферической части 17, и на эту часть насаживается гайка 84. Таким образом, формируется так называемый механизм шарикового винта. С другой стороны, в верхней части сферической части 17 в виде выступа сформирована цилиндрическая часть 17а для удержания гайки, и она удерживает гайку 84 с возможностью вращения в одном направлении и неподвижно в вертикальном положении при помощи расположенного между ними храпового механизма 85. Резьба 83а, гайка 84, храповой механизм 85 и часть 17а для удержания гайки составляют механизм 88 преобразования силы вращения. Этот механизм 88 преобразования силы вращения активирует рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения.
[0095] В частности, например, храповой механизм 85 расположен таким образом, чтобы гайка 84 при рассмотрении сверху могла вращаться против часовой стрелки (становилась свободной относительно храпового механизма), но не могла вращаться по часовой стрелке. Помимо всего прочего рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения Дарье обеспечено таким образом, чтобы вращаться против часовой стрелки. Кроме того, резьба 83а нарезана таким образом, чтобы при вращении опоры 82 против часовой стрелки относительно гайки 84, при рассмотрении сверху, опора 82 опускалась относительно гайки 84.
[0096] Затем, когда установка 80 перемещается вверх относительно гайки 84 (плавучей конструкции 13) с рабочим колесом 81 гидротурбины, находящимся остановленном состоянии, гайка 84 вращается против часовой стрелки вследствие направления резьбы 83а. В данном случае храповой механизм 85 вращается вхолостую.
[0097] С другой стороны, если установка 80 опускается относительно гайки 84 с рабочим колесом 81 гидротурбины, находящимся в остановленном состоянии, гайка 84 пытается вращаться по часовой стрелке вследствие направления резьбы 83а, но не может вращаться вследствие ее ограничения посредством храпового механизма 85. По этой причине предпочтительнее рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения вращается против часовой стрелки и опускается. Таким образом, активируется рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения.
[0098] После того как рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения активируется и начинает вращаться против часовой стрелки, рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения пытается опуститься относительно гайки 84. Однако рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения имеет плавучесть, и, следовательно, приходит в состояние, в котором рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения больше не может перемещаться в вертикальном направлении после его опускания до определенного уровня. В этом состоянии как и рабочее колесо 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения, гайка 84 вращается против часовой стрелки для сохранения относительного положения с рабочим колесом 81 гидротурбины. В данном случае храповой механизм 85 вращается вхолостую. Таким образом, выполняется вращение рабочего колеса 81 гидротурбины с вертикальной осью вращения, и устройство 70 выработки электроэнергии генерирует электроэнергию.
[0099] Отметим, что несмотря на то что на чертежах это не иллюстрировано, вспомогательное генерирующее устройство, включающее в себя линейный генератор (не иллюстрирован) может быть расположено между шлицевым шариковым подшипником 86 и опорой 82. В линейном генераторе, например, изолирующий трансформатор присоединен к шлицевому шариковому подшипнику 86, а статор присоединен к верхней оконечной части 83 опоры 82. При использовании этой конфигурации электроэнергия может генерироваться посредством использования относительного вертикального перемещение между шлицевым шариковым подшипником 86 и опорой 82.
[0100] Кроме того, в четвертом варианте осуществления механизм шарикового винта, включающий в себя резьбу 83а и гайку 84, используется в качестве механизма для преобразования силы вращения. Однако стойка и реечно-шестереночный механизм, соединительный кривошипно-шатунный механизм, механизм гироскопа или подобное могут использоваться вместо механизма шарикового винта.
[0101] Далее, со ссылкой на Фиг. 12 будет описано судно 100, приводимое в движение ветром согласно пятому варианту осуществления с использованием системы для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции.
[0102] Как изображено на Фиг. 12, судно 100, приводимое в движение ветром, согласно пятому варианту осуществления является так называемой яхтой и включает в себя корпус 101, служащий в качестве плавучей конструкции, и неподвижную лопасть 102, служащую в качестве установки. Неподвижная лопасть 102 имеет опору 103, установленную таким образом, чтобы проходить сквозь корпус 101. Опора 103 поддерживается с возможностью отклонения и с возможностью вращения посредством корпуса 101. Кроме того, опора 103 включает в себя верхнюю опору 103а на верхней стороне опорного механизма 101а корпуса 101 и нижнюю опору 103b на нижней стороне опорного механизма. Нижняя опора 103b является частью, которая сформирована таким образом, чтобы быть широкой в направлении вперед-назад и функционировала в качестве киля. Балласт 104 расположен в нижней оконечной части нижней опоры 103b. По причине наличия балласта 104 центр тяжести неподвижной лопасти 102 расположен под водой. Амортизирующее устройство 105, предназначенное для ограничения отклонения опоры 103 в направлении вперед-назад, расположено в корпусе 101. Основание амортизирующего устройства 105 соединено с корпусом 101, и верхний конец амортизирующего устройства 105 соединен с верхней частью киля нижней опоры 103b.
[0103] Отметим, что опорный механизм 101а, который поддерживает опору 103 с возможностью отклонения и с возможностью вращения, особо не ограничен, и в случае необходимости могут быть использованы, например, опорные механизмы, описанные со второго по четвертый варианты осуществления.
[0104] Когда судно 100, приводимое в движение ветром, плывет при боковом ветре, киль нижней опоры 103b вращается для создания такого угла возвышения, чтобы могло быть предотвращено боковое скольжение в результате воздействия встречного ветра. Таким образом, судно 100, приводимое в движение ветром, может плыть так, чтобы корпусом 101 оставался обращенным в направлении продвижения. Кроме того, касательно судна 100, приводимого в движение ветром, даже если неподвижная лопасть 102 принимает значительную силу, соответствующую силе ветра, и наклоняется, то боковая качка корпуса 101 не выполняется, и нижняя опора 103b и балласт 104 наклоняются для создания момента остойчивости. Это может предотвратить ухудшение удобства, возникающее вследствие угла наклона корпуса 101, увеличить сопротивление корпуса, дополнительно увеличить сопротивление в результате одерживания, которое необходимо по причине смещения центра сопротивления в поперечном направлении, что обеспечивает возможность получения яхты, имеющей высокий коэффициент полезного действия.
[0105] Отметим, что если верхняя опора 103а имеет возможность вращения, то сложно осуществить закрепление опоры с нижнего конца. Следовательно, в целом, необходимо обеспечение переднего подкоса и бокового подкоса, как видно на обычной яхте, и оттяжки, как видно из ветряного генератора Дарье с вертикальной осью вращения, расположенного на суше. Однако в судне 100, приводимом в движение ветром, опрокидывающий момент верхней опоры 103а полностью уравновешивается посредством момента остойчивости балласта 104 и нижней опоры 103b, обеспеченной таким образом, чтобы проходить сквозь корпус 101. Соответственно, корпус 101 не должен уравновешивать момент, и следовательно, он может быть опущен.
[0106] Далее, со ссылкой на Фиг. 13-16, будет описано судно 110, приводимое в движение ветром, согласно шестому варианту осуществления. Судно 110, приводимое в движение ветром, согласно шестому варианту осуществления отличается от вышеописанного судна 100, приводимого в движение ветром, согласно пятому варианту осуществления главным образом тем, что ветроприемная часть включает в себя ветряные генераторы 40 Дарье, и что обеспечены гребные винты 116, вращаемые посредством вращения ветряных генераторов 40 Дарье.
[0107] Как изображено на частях (а) и (b) из Фиг. 13, судно 110, приводимое в движение ветром, включает в себя две установки 112 и 112 в передней и задней частях корпуса 111. Каждая из установок 112 поддерживается с возможностью отклонения и с возможностью вращения относительно корпуса 111 при помощи расположенного между ними опорного механизма 111а. Каждая из установок 112, главным образом, включает в себя опоры 113, поддерживающие часть приема силы и ветряной генератор 40 Дарье в качестве части приема силы. Конструкция ветряного генератора 40 Дарье является аналогичной конструкции из третьего варианта осуществления и подробно не описывается.
[0108] Опора 113 включает в себя верхнюю опору 113а и нижнюю опору 113b. Верхняя опора 113а является частью, которая функционирует в качестве торсионного вала ветряного генератора 40 Дарье. Нижняя опора 113b является частью, которая сформирована таким образом, чтобы быть широкой в направлении вперед-назад и функционировала в качестве киля. Балласт 115 расположен в нижней оконечной части нижней опоры 113b. Балласт 115 имеет гребной винт 116, который вращается одновременно с вращением ветряного генератора 40 Дарье. Опора 113 сконфигурирована для наклона только в направлении боковой качки посредством использования ограничительного устройства 117. Ограничительное устройство 117 включает в себя, например, гидравлический амортизатор или подобное устройство.
[0109] Как изображено на частях (а) и (b) из Фиг. 14, установка 112 сконфигурирована таким образом, чтобы иметь возможность отклонения относительно корпуса 111. Что касается судна 110, приводимого в движение ветром, даже если установка 112 принимает значительную силу, соответствующую силе ветра, и наклоняется, то корпус 111 не подвергается боковой качке и нижние опоры 113b и балласт 115 наклоняются для создания момента остойчивости. Это может предотвратить ухудшение удобства, возникающее вследствие угла наклона корпуса 111, увеличить сопротивление корпуса, дополнительно увеличить сопротивление в результате одерживания, которое необходимо по причине смещения центра сопротивления в поперечном направлении, что обеспечивает возможность получения яхты, имеющей высокий коэффициент полезного действия потребовало в связи с тем, что чтобы центр сопротивления был shafted в поперечном направлении, позволяя получить эффективное судно 110, приводимое в движение ветром.
[0110] Как изображено на Фиг. 15, опорный механизм 111а включает в себя сферическую часть 113с, сформированную в верхней оконечной части нижней опоры 113b, упругие резиновые опоры 18 и 19, поддерживающие с возможностью отклонения сферическую часть 113с, и опорную раму 20, поддерживающую упругие резиновые опоры 18 и 19.
[0111] В нижней оконечной части верхней опоры 113а сформирована цилиндрическая часть 113d, открывающаяся вниз. Цилиндрическая часть 113d удерживается с возможностью вращения посредством сферической части 113с. Ускоряющее устройство 120 расположено в цилиндрической части 113d. Ускоряющее устройство 120 включает в себя кольцевое зубчатое колесо 121, планетарные зубчатые колеса 122 и солнечное зубчатое колесо 123. Кольцевое зубчатое колесо 121 соединено с цилиндрической частью 113d при помощи расположенного между ними храпового механизма 124. Планетарные зубчатые колеса 122 неподвижно соединены со сферической частью 113с посредством не иллюстрированного на чертежах картера. Солнечное зубчатое колесо 123 вырезано на внешней периферийной поверхности торсионного вала 131, описанного позже. Следовательно, при вращении верхней опоры 113а торсионный вал 131 вращается с предварительно определенным коэффициентом ускорения.
[0112] В нижней оконечной части верхней опоры 113а, торсионный вал 131 поддерживается с возможностью вращения в подвешенном состоянии. Торсионный вал 131 проходит сквозь сферическую часть 113с и нижнюю опору 113b и достигает балласта 115. Коническая зубчатая передача 132 расположена в нижней оконечной части торсионного вала 131. Коническая зубчатая передача 132 входит в зацепление с двумя коническими зубчатыми шестернями 116b, обеспеченными на переднем конце горизонтального вала 116а гребного винта 116. Таким образом, вращение торсионного вала 131 преобразуется во вращение вокруг горизонтальной оси горизонтального вала 116а, и вращение гребного винта 116 генерирует поступательное движение.
[0113] Устройство 70 выработки электроэнергии расположено в сферической части 113с и под ускоряющим устройством 120. Ротор 71 устройства 70 выработки электроэнергии прикреплен к внешней периферийной поверхности торсионного вала 131, а статор 72 устройства 70 выработки электроэнергии, прикреплен к сферической части 113с. Ротор 71 вращается одновременно с вращением торсионного вала 131 так, чтобы устройство 70 выработки электроэнергии генерировало электроэнергию. При нахождении на якоре установки 112 имеют возможность наклона относительно двух осей в направлениях боковой качки и движения тангажа посредством высвобождения ограничительного устройства 117 (см. Фиг. 13), и электроэнергия генерируется посредством ветра, принимаемого посредством ветряных генераторов 40 Дарье.
Отметим, что во время плавания устройство 70 выработки электроэнергии сконфигурировано таким образом, чтобы служить в качестве двигателя для дополнения силы вращения, получаемой от силы ветра.
[0114] Когда судно 110, приводимое в движение ветром, плывет прямо вперед при боковом ветре, нижние опоры 113b, функционирующая в качестве килей, наклоняются параллельно друг к другу, как изображено на части (а) из Фиг. 16. Таким образом, кили, состоящие из нижних опор 113b, имеют углы возвышения, и может быть сгенерирована подъемная сила для предотвращения бокового скольжения.
Кроме того, когда судно 110, приводимое в движение ветром, поворачивает, нижние опоры 113b, функционирующие в качестве килей наклоняются в противоположных друг к другу направлениях, как изображено на части (b) из Фиг. 16. Таким образом, может быть уменьшен радиус поворота.
[0115] Выше в настоящем документе были подробно описаны варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. Однако настоящее изобретение не ограничено этими вариантами осуществления и может быть изменено в случае необходимости в рамках, не отступающих от сути изобретения.
[0116] Например, механизм вертикального перемещения из четвертого варианта осуществления может быть добавлен к опорному механизму системы 1В для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции согласно третьему варианту осуществления. При использовании этой конфигурации ветряной генератор 40 Дарье из системы 1В для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции может быть активирован посредством вертикального перемещения установки 12 относительно плавучей конструкции 13. Аналогично механизм вертикального перемещения из четвертого варианта осуществления может быть добавлен к опорным механизмам 111а судна 110, приводимого в движение ветром, согласно шестому варианту осуществления.
[0117] Кроме того, в третьем варианте осуществления зубчатая передача 60 и храповой механизм 64 расположены между верхней опорой 11а и нижней опорой 11b, как изображено на частях (а) и (b) из Фиг. 8. Однако если нет необходимости в ускорении вращения нижней опоры 11b, то зубчатая передача 60 может быть опущена, и между верхней опорой 11а и нижней опорой 11b может быть установлен только храповой механизм 64. Эта конфигурация позволяет передавать вращение только в одном направлении или предотвращать превышение допустимой частоты вращения.
[0118] Кроме того, как изображено на частях (а) и (b) из Фиг. 8, верхняя опора 11а и нижняя опора 11b сконфигурированы для коаксиального вращения в противоположных направлениях посредством расположения зубчатой передачи 60 между верхней опорой 11а и нижней опорой 11b в третьем варианте осуществления. Однако если нет необходимости активации ветряного генератора посредством рабочего колеса гидротурбины, то зубчатая передача 60 может быть опущена посредством установки направления лопастей ветряного генератора и рабочего колеса гидротурбины таким образом, чтобы ветряной генератор и рабочее колесо гидротурбины могли вращаться в противоположных друг к другу направлениях.
[0119] Кроме того, в судне, приводимом в движение ветром, 110 согласно шестому варианту осуществления каждая нижняя опора 113b, функционирующая в качестве киля и балласта 115, сконфигурированы для совместного вращения друг с другом относительно корпуса 111. Однако настоящее изобретение не ограничено этой конфигурацией. Только нижние опоры 113b, служащие в качестве килей, могут быть сконфигурированы для выполнения вращения.
[0120] Отметим, что в качестве ссылочного примера настоящего изобретения описан случай, в котором установка не наклоняется относительно плавучей конструкции.
Например, в конфигурации из третьего варианта осуществления настоящего изобретения, ветряной генератор 40 Дарье, который является ветряным генератором с вертикальной осью вращения подъемного типа, расположено на верхней опоре 11а, а рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса, которое является рабочим колесом гидротурбины с вертикальной осью вращения буксируемого типа, обеспечено на нижней опоре 11b, как изображено на Фиг. 7. Помимо всего прочего, как изображено на Фиг. 8, опора 11 поддерживается с возможностью отклонения относительно плавучей конструкции 13. Однако, например, если рабочее колесо 50 гидротурбины Савониуса является достаточно большим, то возможно использовать такую конфигурацию, в которой опора 11 поддерживается таким образом, чтобы не иметь возможности наклона относительно плавучей конструкции 13. Другими словами, например, в акватории с большой глубиной дна или в подобном месте, легко в достаточном объеме увеличить размеры рабочего колеса 50 гидротурбины Савониуса.
Следовательно, даже если ветряной генератор 40 Дарье принимает силу ветра, то возможно справиться с опрокидывающим моментом, полученным в результате воздействия силы ветра. Следовательно, если нет необходимости в использовании такого распределения весов, при котором угол наклона возникает после приема избыточной силы ветра или силы приливного течения для отражения избыточной силы ветра или силы приливного течения, или подобного, опора 11 не обязательно должна поддерживаться с возможностью отклонения посредством плавучей конструкции 13. В этом случае достаточно закрепить опору 11 с возможностью вращения относительно опорной рамы 20. Следовательно, опорный механизм может быть упрощен посредством исключения сферической части 17 и упругих резиновых опор 18 и 19.
Кроме того, в конфигурации четвертого варианта осуществления обеспечено только рабочее колесо гидротурбины. Следовательно, если нет необходимости использования такого распределения весов, при котором наклон возникает после приема избыточной силы приливного потока, то для отражения избыточной силы приливного течения или подобного опора 11 не обязательно должна поддерживаться с возможностью отклонения посредством плавучей конструкции 13. В этом случае возможно использование такой конфигурации, в которой опора 11 присоединена с возможностью вращения к опорной раме 20 из четвертого варианта осуществления, и сферическая часть 17 и упругие резиновые опоры 18 и 19 исключаются.
Описание ссылочных обозначений
[0121] 1 система для использования динамической силы текучей среды на плавучей конструкции
10 ветроприемная часть
11 опора
12 установка
13 плавучая конструкция
14 балласт
15 центр тяжести