ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
WIND-DRIVEN POWER PLANT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение касается ветроэнергетических установок для генерирования электрической энергии, о которых идет речь в ограничительной части п.1 формулы изобретения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
За последние годы наблюдалось существенное развитие технологии ветроэнергетики, особенно - в связи с трехлопастными ветряными турбинами. Наиболее крупные известные ветряные турбины имеют диаметры роторов приблизительно 150 м и генерируют приблизительно 6 МВт установленной мощности. Проблемой, связанной с этими крупными турбинами, являются вибрации из-за так называемых сверхзвуковых скоростей концов лопастей.
В соответствии с законом Беца максимальный КПД обычной ветряной турбины составляет 59,3%. На практике КПД современных ветроэнергетических установок находится в диапазоне между 35 % и 40 %. На морском дне - на мелководье - устанавливают несколько ветроэнергетических установок, а для применения дальше от берега разработаны плавучие установки. Обычные ветряные турбины создают значительный шум и представляют собой серьезные угрозы жизни птиц.
Существуют плавучие ветроэнергетические установки различных типов. Известные технические решения включают в себя документ WO 2014/112115 A1, в котором описана плавучая установка для генерирования ветроэлектрической энергии, где сверху плавучего корпуса, пришвартованного в положении швартовки посредством швартова, установлен ветроэлектрический генератор, а электрическая энергия, генерируемая ветроэлектрическим генератором, подается в кабель. Известные технические решения также включают в себя документ WO 2010/019050 A1, в котором описан фундамент для морского ветряного турбогенератора. Фундамент представляет собой сооружение из железобетона, обладающее собственной плавучестью и устойчивостью, содержащее фунаментную конструкцию, полую, по существу, коническую башенную конструкцию, расположенную на фундаментной конструкции и имеющую нижний внешний диаметр, меньший, чем наименьший поперечный размер фундаментной конструкции, поскольку диаметр башенной конструкции постепенно уменьшается кверху - к верхнему участку башенной конструкции. Известные технические решения также включают в себя документ WO 99/02856 A1, в котором описана установка, содержащая ветродвигатели, установленные в раме. Рама оснащена плавучими телами и выполнена с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, чтобы поворачивать ветродвигатели по ветру. Чтобы поддерживать ветродвигатели стоящими вертикально, на некотором расстоянии от плоскости ветродвигателей расположены несущие средства, например - корпус, который заякорен на дно.
Известные ветроэнергетические установки с обычными генераторами, устанавливаемыми на пилонах, имеют ограниченные рабочие характеристики при сильных ветрах; они требуют интенсивного технического обслуживания и должны быть полностью закрытыми, когда становятся необходимыми ремонтные работы или переоборудование. Поэтому существует потребность в ветроэнергетической установке, которая проще в эксплуатации и техническом обслуживании, а также может справляться с высокими ветровыми нагрузками.
Известные технические решения также включают в себя документ GB 2461772 A, где описан плавучий агрегат для генерирования ветроэлектрической энергии, содержащий плавучую платформу, раму и множество ветроэлектрических генераторов, расположенных в раме. Ветроэлектрические генераторы установлены в раму по отдельности посредством верхнего и нижнего валов опорных цапф, чтобы обеспечить ориентацию по ветру. Во время сборки, ветроэлектрические генераторы сначала устанавливают в раму - перед установкой рамы на плавучую платформу или наоборот. С каждым ветроколесом соединен блок генератора. Положение плавучей платформы фиксируют посредством якоря.
Изобретение является усовершенствованием известных технических решений и вдобавок дает другие преимущества.
Сущность изобретения
Формулировка и основные отличительные признаки изобретения изложены в независимом пункте формулы изобретения, а другие отличительные признаки изобретения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Таким образом, предложена ветроэнергетическая установка, содержащая платформу, имеющую палубу и выполненную для опоры рамы, отличающаяся тем, что:
- рама содержит множество генераторных станций, выполненных для размещения и опоры соответствующего съемного ветряного турбогенератора; и
- средства доставки генераторов, выполненные и установленные с возможностью перемещения ветряного турбогенератора между палубой и генераторной станцией.
В одном варианте осуществления, средства доставки генераторов содержат подвижное средство для перемещения генераторов, которое соединено с возможностью разъединения со средствами транспортировки генераторов на раме, а подвижное средство для перемещения генераторов выполнено и установлено с возможностью удержания и опоры ветряного турбогенератора, а также манипулирования им. Энергетическая установка может содержать тележку, выполненную с возможностью перемещения по палубе и придания опоры подвижному средству для перемещения генераторов.
В одном варианте осуществления ветряной турбогенератор содержит корпус, в котором расположена с возможностью вращения турбина, причем упомянутая турбина содержит множество лопастей, взаимосвязанных периферийным ободом, причем упомянутый обод содержит множество магнитов, а корпус содержит множество катушек, расположенных в непосредственной близости от периферийного обода. Магниты могут быть электромагнитами, в которых сила действия магнитного поля является регулируемой. Магниты могут быть постоянными магнитами. Катушки могут быть подвижными катушками, которые перемещают, чтобы отрегулировать расстояние между катушкой и ободом. Корпус генератора, обод и лопасти изготовлены из немагнитного материала. В одном варианте осуществления корпус, обод и лопасти изготовлены из алюминия, например - из экструдированных алюминиевых профилей.
В одном варианте осуществления платформа является плавучей платформой, опирающейся, по меньшей мере, на прочный корпус, связываемый с морским дном посредством турельных швартовых, вследствие чего обеспечивается разворот энергетической установки по ветру. Энергетическая установка может содержать площадку для хранения ветряных турбогенераторов.
Предлагаемая энергетическая установка способна работать, генерируя электричество непрерывно, и не должна простаивать из-за технического обслуживания или сильных ветров.
Изобретение обеспечивает более или менее непрерывную эксплуатацию, поскольку установку как таковую можно оставлять в эксплуатации при демонтаже одного или нескольких ветряных турбогенераторов для ремонта или замены. На платформе всегда имеется в наличии некоторое количество запасных генераторов, что гарантирует непрерывную эксплуатацию.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие отличительные признаки изобретения станут ясными из нижеследующего описания предпочтительных форм осуществления, приводимых в качестве неограничительных примеров со ссылками на прилагаемые схематические чертежи, при этом:
на фиг.1 преставлен вид в сбоку согласно варианту осуществления предлагаемой энергетической установки;
на фиг.2 преставлен вид в плане энергетической установки, показанной на фиг.1;
на фиг.3 преставлен вид спереди энергетической установки, показанной на фиг.1;
на фиг.4 преставлен вид спереди согласно первому варианту осуществления ветряного турбогенератора, имеющего электромагниты;
на фиг.5 преставлен вид спереди согласно второму варианту осуществления ветряного турбогенератора, имеющего постоянные магниты;
на фиг.6 представлено перспективное изображение сверху согласно второму варианту осуществления предлагаемой энергетической установки;
на фиг.7 представлено перспективное изображение энергетической установки, показанной на фиг.6, во время сборки у причальной стенки и перед установкой каких-либо ветряных турбогенераторов;
на фиг.8 преставлено еще одно перспективное изображение энергетической установки, показанной на фиг.7, также демонстрирующее множество ветряных турбогенераторов, хранимых на палубе;
на фиг.9 представлено перспективное изображение этапа процесса установки ветряного турбогенератора в энергетической установке, показанной на фиг.8, иллюстрирующее ветряной генератор, переносимый тележкой, и подвижное средство для перемещения генераторов;
на фиг.10 показан этап, который следует за представленным на фиг. 9 и на котором узел опрокидивания находится в процессе подъема ветряного турбогенератора из горизонтальной ориентации;
на фиг.11 показан этап, который следует за представленным на фиг. 10 и на котором узел опрокидивания поднял ветряной турбогенератор в вертикальную ориентацию, а средство транспортировки генераторов соединено с подвижным средством для перемещения генераторов;
на фиг.12 показан этап, который следует за представленным на фиг. 11 и на котором средство транспортировки генераторов поднимает подвижное средство для перемещения генераторов (удерживая ветряной турбогенератор);
на фиг.13 показан этап, который следует за представленным на фиг. 12 и на котором средство транспортировки генераторов подняло подвижное средство для перемещения генераторов (удерживая ветряной турбогенератор) на предназначенную генераторную станцию;
на фиг.14 показан этап, который следует за представленным на фиг. 13 и на котором ветряного турбогенератора вставлен в генераторную станцию и поэтому сгружен с подвижного средство для перемещения генераторов (которое начало опускаться);
на фиг.15 представлено перспективное изображение согласно второму варианту осуществления ветроэнергетической установки, демонстрирующее ветряной турбогенератор, установленной в генераторной станции, подвижное средство для перемещения генераторов, движущуюся между верхом паруса и палубой, и тележку, стоящую на рельсах на палубе;
на фиг.16 представлено перспективное изображение согласно второму варианту осуществления ветряного турбогенератора;
на фиг.17 преставлено еще одно перспективное изображение ветряного турбогенератора, показанного на фиг.16, со снятой крышкой, иллюстрирующее множество катушек, расположенных в корпусе;
на фиг.18 представлено перспективное изображение согласно второму варианту осуществления ветроэнергетической установки в рабочей конфигурации; и
на фиг.19 преставлен вид в плане ветряного турбогенератора, показанного на фиг.17.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В нижеследующем описании могут употребляться такие термины, как «горизонтальный (-ая, -ое, -ие)», «вертикальный (-ая, -ое, -ие)», «поперечный (-ая, -ое, -ие)», «взад и вперед», «вверх и вниз», «верхний (-яя, -ее, -ие)», «нижний (-яя, -ее, -ие)», «внутренний (-яя, -ее, -ие)», «внешний (-яя, -ее, -ие)», «передний (-ая, -ее, -ие)», «задний (-яя, -ее, -ие) », и т.д. Эти термины в общем случае относятся к видам и ориентациям, которые показаны на чертежах и связаны с обычным использованием изобретения. Упомянутые термины употребляются лишь для удобства читателя, и их не следует считать ограничительными.
Обращаясь сначала к фиг.1, отмечаем, что ветроэнергетическая установка содержит платформу 1, конфигурация которой обеспечивает плавание в море S и которая содержит один или несколько корпусов. В иллюстрируемом варианте осуществления, платформа содержит прочный корпус 2 и одну выносную опору 3 с каждой стороны прочного корпуса в конфигурации тримарана, которая сама по себе известна. Платформа-тримаран преимущественно состоит из одной большой главной баржи и двух меньших барж, по одной с каждой стороны большой баржи. Прочный корпус оснащен кормовым (т.е. задним) подруливающим устройством 8. Три корпуса (например, баржи) предпочтительно соединены палубной конструкцией 14 (см. фиг.2), имеющей определенную ширину и высоту над уровнем S моря. Высота палубы над уровнем S моря предпочтительно должна иметь величину, позволяющую избежать сил воздействия волн на палубе.
От вертлюжного соединения 6 на носовом (т.е. переднем) конце прочного корпуса к одному или нескольким донным якорям того типа, который сам по себе известен в данной области техники, проходят швартовы 7 (или аналогичные средства, например, канаты из волокон и/или цепи). Таким образом, платформа выполнена с возможностью поворота на 360° вокруг вертлюга и может разворачиваться по ветру и течениям.
Рама 4 (далее именуемая также «парусом») сооружена на платформе поперечно продольным осям корпусов и проходит на некоторое вертикальное расстояние вверх. Парус в типичном случае приварен к корпусам и палубе и поддерживается посредством подпорки 5, содержащей наклонный элемент 5a (соединенный с кормовым участком прочного корпуса 2) и множество горизонтальных элементов 5b. Парус содержит решетчатую конструкцию с множеством вертикальных стоек 25a и горизонтальных стоек 25b, образующих множество отсеков 26 (см. фиг.3), конфигурация каждого из которых обеспечивает заключение в них отдельных ветряных турбогенераторов 13. Поэтому такие отсеки в дальнейшем именуются генераторными станциями 26. На фиг.3 показаны лишь несколько ветряных турбогенераторов 13, установленных в соответствующих отсеках 26.
Подпорка 5 может вносить вклад в эффект маневрирования, так что платформа всегда имеет благоприятную ориентацию на преобладающие ветры 10. При необходимости можно использовать кормовое подруливающее устройство 8 (с электрическим, гидравлическим или механическим приводом).
Платформа оснащена техническими средствами (не показаны) обеспечивающими легкий доступ для судов обеспечения, и взлетно-посадочную площадку 9 для вертолетов в кормовой части прочного корпуса. Также может потребоваться сооружение укрытий для персонала, производственных построек и жилых помещений (не показаны).
На фиг.4 изображен один вариант осуществления ветряного турбогенератора 13, конфигурация которого обеспечивает установку в генераторной станции 26 (см. фиг.3). Генератор 13 содержит корпус 16, имеющей внешнюю форму, которая совместима с формой генераторной станции 26. В иллюстрируемом варианте осуществления эти формы являются квадратными, но изобретение не будет ограничиваться такими формам.
Турбина 17 установлена с возможностью вращения посредством ступицы 18 на несущей балке 19, которая, в свою очередь, опирается на корпус 16. Турбина 17 содержит множество лопастей 28 турбины (четыре, как показано на фиг.4), взаимосвязанных периферийным ободом 27. С внутренней стороной обода 27 соединено некоторое количество электромагнитов 20 (на фиг.4 показаны только два). Специалист поймет, что может потребоваться больше двух магнитов. Магниты 20 предпочтительно являются электромагнитами, вследствие чего можно регулировать силу действия магнитного поля.
В корпусе 16 расположено некоторое количество электрических катушек 21 (на фиг.4 - четыре катушки, по одной в каждом углу корпуса), обращенных к ободу 27 турбины и близких к нему.
При эксплуатации, когда ветер приводит турбину 17 во вращение, электромагниты 20 (вращающиеся с ободом 27) будут взаимодействовать с катушками 21 и генерировать электрический ток в катушках 21 посредством магнитной индукции, делая это способом, который сам по себе хорошо известен в данной области техники. Специалист поймет, что, в зависимости от полярности магнитов, можно генерировать либо переменный ток (ПеТ), либо постоянный ток (ПоТ). В практическом приложении установка может генерировать мощность постоянного тока, которая преобразуется в высокое напряжение перед посылкой на берег по подводным кабелям (не показаны).
С помощью электромагнитов можно регулировать сопротивление вращающейся турбины, а значит - и количество вырабатываемой электрической энергии. Но регулирование магнитного сопротивления электромагнитов также приведет к непосредственному регулированию количества кинетической энергии ветра, которая преобразуется в электрическую энергию, и количества кинетической энергии ветра, которая беспрепятственно пройдет через ветряные турбогенераторы, а значит - и через парус. В свою очередь, это окажет негативное влияние непосредственно на систему швартовки установки.
На фиг.5 изображен второй вариант осуществления ветряного турбогенератора 13, имеющего некоторое количество постоянных магнитов 22 (вместо электромагнитов 20, описанных выше со ссылками на фиг.4). Постоянные магниты 22 (на фиг.5 показаны только два) соединены с внутренней стороной обода 27. Специалист поймет, что может потребоваться больше двух магнитов. В этом варианте осуществления в корпусе 16 расположены подвижные электрические катушки 23 (на фиг.5 - четыре катушки, по одной в каждом углу корпуса), обращенные к ободу 27 турбины и близкие к нему. Подвижные катушки 23 можно перемещать взад и вперед, как указано стрелками M на фиг.5, регулируя таким образом расстояние между постоянными магнитами 22 и приводя таким образом к достижению такого же эффекта, как в случае с электромагнитами.
Возвращаясь к фиг.3, где показано множество ветряных турбогенераторов 13, установленных на соответствующих генераторных станциях 26, следует принять во внимание, что изобретение допускает непрерывную эксплуатацию и генерирование электричества. Если потребуется отремонтировать, переоборудовать или заменить один генератор 13, то генератор 13, о котором идет речь, можно снять (и повторно установить), а остальные генераторы при этом будут эксплуатироваться. Эта модульная конфигурация делает предлагаемую энергетическую установку весьма универсальной, стойкой к внешним воздействиям и надежной.
На фиг.1 иллюстрируется один такой способ снятия и замены. Наверху паруса расположена лебедка 11, которая соединена посредством троса 11a с рабочим помостом 12. Рабочий помост содержит помещение для одного или нескольких операторов и средства соединения (не показаны), с помощью которых можно крепить генератор 13 к рабочему помосту 12 и опускать на палубу 14 (или поднимать с нее посредством лебедки).
2
2
Предлагаемую энергетическую установку можно построить очень большой. Например, парус может иметь площадь поверхности 200×200 метров (т.е., 40000 м) или более. Вместе с тем, изобретение не будет ограничиваться такими размерами. Предлагаемая энергетическая установка работоспособна и выполнена с возможностью выработки электрической энергии при любых возможных погодных условиях. Генерирование электроэнергии в известных ветроэнергетических установках обычно имеет пик при скоростях ветра 11-12 м/с и прекращается, когда скорость ветра превышает 20 м/с. Вместе с тем, при наличии предлагаемой энергетической установки, имеющей вышеописанную площадь поверхности паруса, в соответствии с вычислениями автора изобретения может поддерживать производительность в полном объеме и полностью использовать ветровую энергию вплоть до скорости ветра 20 м/с, а потом выйти на постоянный уровень и инициировать постоянную производительность при еще более высоких скоростях ветра. Вычисления показали, что предлагаемая энергетическая установка (с площадью парусности 40000 м) может генерировать приблизительно 100 МВт при скорости ветра 20 м/с.
На фиг.6 изображен второй вариант осуществления предлагаемой энергетической установки 1, содержащей прочный корпус 2 и выносные опоры корпуса (не показаны), на которые оперты палуба 14 и парус 4, в котором заключено множество ветряных турбогенераторов 13. На фиг.7 и фиг.8 энергетическая установка показана собираемой на причале 29. Как и в первом варианте осуществления парус содержит множество генераторных станций 26, в общем случае ограниченных горизонтальными и вертикальными балками 26a,b. Палуба 14 содержит площадку 36 для хранения генераторов, кран (устанавливаемый по выбору и не показанный) и рельсовые пути 30, проходящие между площадкой для хранения генераторов и парусом (бок о бок с ним). На фиг.8 показано некоторое количество ветряных турбогенераторов 13, хранимых на площадке 36 для хранения, и тележка 31, находящаяся на рельсах 30.
Обращаясь к фиг.9, отмечаем, что тележка 31 (движущаяся по рельсовым направляющим 30) несет подвижное средство 32 для перемещения генераторов, который, в свою очередь, несет ветряной турбогенератор 13. Ветряной турбогенератор 13 взят с площадки 36 для хранения. На фиг.9 тележка 31 показана находящейся у основания паруса, а процесс установки генератора - готовым к началу. На фиг.10 узел 34 опрокидывания на подвижном средстве 32 для перемещения генераторов показан находящимся в процессе подъема ветряного турбогенератора 13 от горизонтальной ориентации. На фиг.11 узел 34 опрокидивания показан поднявшим ветряной турбогенератор 13 до вертикальной ориентации, а средства 35 транспортировки генераторов на парусе - соединенными с подвижным средством для перемещения генераторов. Эти средства 35 транспортировки генераторов могут представлять собой систему реек и шестерен, систему тросов и лебедки или любую другую известную систему подъема. На фиг.11 также показано, что подвижное средство 32 для перемещения генераторов содержит кабину 33 оператора, из которой можно управлять сборкой и разборкой генераторов.
На фиг.12 средства 35 транспортировки генераторов показаны начавшими подъем подвижного средства 32 для перемещения генераторов (удерживающего ветряной турбогенератор 13), а на фиг.13, подвижное средство для перемещения генераторов показано достигшим желательной для него генераторной станции. Когда он находится в этом положении исполнительные механизмы (не показаны) продвигают ветряной турбогенератор в генераторную станцию, в которой заключают, опирают и соединяют генератор, см. также фиг.14 (требуемые соединители, кабели, и т.д., не показаны). Таким образом, ветряной турбогенератор отсоединен от подвижного средства 32 для перемещения генераторов, которое можно опустить на уровень палубы. Это изображено на фиг.15; ветряной турбогенератор установлен в генераторной станции, при этом подвижное средство для перемещения генераторов движется к тележке, стоящей на рельсах на палубе.
Фиг.16, 17 и 19 иллюстрируют второй вариант осуществления ветряного турбогенератора 13. Корпус 16 (который в предпочтительном варианте осуществления изготовлен из алюминия) имеет внешнюю форму, совместимую с формой генераторной станции 26. В иллюстрируемом варианте осуществления эти формы являются квадратными, но изобретение не будет ограничиваться такими формами. Турбина 17 установлена с возможностью вращения посредством ступицы 18 на несущею конструкцию 19', которая, в свою очередь, жестко опирается на корпус 16. Турбина 17 содержит множество лопастей 28 турбины (на фиг.16 и 17 показаны три), взаимосвязанных периферийным ободом 27. С ободом 27 соединено или внедрено в него некоторое количество магнитов (не показаны). Эти магниты могут быть электромагнитами, вследствие чего можно регулировать силу действия магнитного поля, или постоянными магнитами, как описано выше со ссылками на фиг.4 и 5. В корпусе 16 расположено некоторое количество электрических катушек 37 (на фиг.17 - четыре катушки, по одной в каждом углу корпуса), обращенных к ободу 27 турбины и близких к нему. Конфигурация, возможные варианты осуществления и эксплуатация описаны выше со ссылками на фиг.4 и 5. Корпус генератора, обод и лопасти изготовлены из немагнитного материала. В одном варианте осуществления, этим материалом является алюминий, например - в форме экструдированных алюминиевых профилей.
Следует понять, что силовые кабели, кабели управления, трансформаторы и другие устройства, необходимые для эксплуатации энергетической установки, включая системы для переноса и транспортировки генераторов, не показаны, поскольку эти компоненты также известны в уровне техники.
Хотя предлагаемая энергетическая установка описана применительно к плавучей платформе, изобретение не будет ограничиваться установкой на плавучей платформе.