ПАРУСНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
SAILING POWER PLANT

Изобретение относится к области судостроения и возобновляемой энергетики, в частности к ветровым энергоустановкам морского базирования.
Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся отраслей возобновляемой энергетики. Преобразование кинетической энергии ветра осуществляется с помощью установок, в которых преобразователь энергии выполнен в виде ветрового колеса и соединенного с ним электрогенератора, установленных на верху опорной башни. Ветровые установки ставят как на суше, так и на морском дне в прибрежной области. Для уменьшения зависимости ветровых установок морского базирования от глубины моря, разрабатываются плавающие ветровые установки различного типа.
Известна ветровая энергетическая установка «Плавающая платформа для использования энергии ветра» (патент РФ №2675349). Плавающая платформа содержит два горизонтальных плавающих элемента, соединенных крепежной конструкцией, на которой находится вертикальная башня. На верхнем ее конце установлен преобразователь ветровой кинетической энергии, выполненный в виде ветрового колеса и соединенного с ним электрогенератора. Электрогенератор подключен с помощью электрического кабеля к бую через установленное на нем поворотное контактное устройство. Буй закреплен на морском дне в том месте, где к нему снизу подходит электрический кабель от потребителя электричества, вырабатываемого электрогенератором.
Недостатком плавающей ветровой установки являются большие размеры преобразователя кинетической энергии ветра в электричество. Вращение электрогенератора осуществляется с помощью моментов аэродинамических сил, действующих на каждую лопасть ветрового колеса. Из-за низкой плотности воздуха моменты этих сил увеличиваются за счет увеличения размеров лопастей ветрового колеса. При увеличении размеров преобразователя ветровой энергии возникают проблемы с обеспечением остойчивости плавающей ветровой установки. Известна плавающая энергетическая установка, в которой предложен вариант решения проблемы больших размеров преобразователя энергии ветра патент РФ №2722760 Парусная энергетическая установка, преобразующая энергию двух сред). Установка содержит парусный катамаран с двумя мачтами, к корпусам которого снизу прикреплен гидрогенератор, выполненный в виде винта и электрогенератора. Электрогенератор соединен с помощью электрического кабеля, оснащенного системой поплавков, с буем, закрепленным с помощью груза на морском дне в том месте, где снизу к бую идет электрический кабель от потребителя электроэнергии. Кабель от потребителя, через установленное на буе поворотное контактное устройство и идущий от катамарана электрический кабель, соединен с электрогенератором.
Установка работает следующим образом, Катамаран приводится в район нахождения буя, где к электрогенератору подсоединяется идущий от буя электрический кабель. После этого автоматически устанавливаются паруса с площадью, соответствующей силе ветра, и под действием аэродинамических сил, действующих на паруса, катамаран отходит от буя. С учетом направления ветра и длины электрического кабеля, идущего от катамарана к бую, автоматически определяется курс катамарана по траектории его движения вокруг буя. Эта траектория может быть представлена в виде равностороннего треугольника, одна из сторон которого перпендикулярна направлению ветра. При движении катамарана возникает обтекающий его корпус водный поток, который вращает винт и соединенный с ним электрогенератор. Плотность воды примерно в тысячу раз больше плотности воздуха, поэтому размер винта гидрогенератора оказываются существенно меньше размера ветрового колеса установки, при выработке одинаковой мощности электроэнергии.
Недостатком плавающей энергетической установки является сложность автоматического управления движением катамарана и обеспечение надежной работы плавающей энергетической установки при сильном ветре. Когда дует сильный ветер велика вероятность того, что катамаран отнесет на такое расстояние от буя, что электрический кабель, соединяющий катамаран с буем, натянется, в результате буй затонет и энергетическая установка перестанет функционировать.
Технической задачей изобретения является упростить автоматическое управление движением катамараном и повысить надежность работы плавающей энергетической установки.
Технический результат достигается тем, что в энергетическую установку, содержащую парусный катамаран с двумя мачтами, к корпусам которого снизу прикреплен гидрогенератор, выполненный в виде винта и электрогенератора, который соединен с помощью электрического кабеля, оснащенного системой поплавков, с буем, закрепленным с помощью троса и груза на морском дне в том месте, где снизу к бую идет электрический кабель от потребителя электроэнергии, который, через установленное на буе поворотное контактное устройство и идущий от катамарана электрический кабель, соединен с электрогенератором, с целью упрощения автоматического управления катамараном и повышения надежности работы установки, катамаран выполнен в виде симметричной конструкции относительно его носа и кормы и соединен с помощью удерживающего троса с поворотным устройством, закрепленным на грузе и выполненным в виде металлического стержня с центральным отверстием и ограничительным кольцом на его верхнем конце, к которому крепится трос буя, и надетому на стержень поворотного кольца, к которому крепится идущий от катамарана удерживающий трос, при этом стержень поворотного устройства закреплен в вертикальном отверстии груза, а электрический кабель от потребителя электроэнергии идет к бую снизу через центральное отверстие в стержне.
Конструкция установки и ее работа поясняются схемами, изображенными на Фиг. 1-4. На Фиг. 1 а) и б) представлен один из вариантов симметричной относительно носа и кормы конструкции катамарана 1, в котором оба корпуса катамарана выполнены в виде трубы 2 с коническими наконечниками на концах. Корпуса соединены крепежной конструкцией 3, на которой установлены две мачты. Снизу к корпусам катамарана прикреплен гидрогенератор 4, выполненный в виде винта 5 и электрогенератора 6. Как показано на Фиг. 2 а), с помощью электрического кабеля 7, оснащенного системой поплавков 8, электрогенератор 6 соединяется с буем 9 через установленное на нем поворотное контактное устройство 10. Буй 9 закреплен на морском дне в том месте, где снизу к нему идет электрический кабель от потребителя электроэнергии 11, вырабатываемой электрогенератором 6. Крепление буя 9 на морском дне осуществляется с помощью груза 12 и троса 13, который крепится к поворотному устройству 14. К поворотному устройству 14 также крепится удерживающий трос 15, идущий от катамарана 1. Удерживающий трос 15 закреплен в двух точках на одном из корпусов катамарана, как показано на Фиг 2. б). Схема поворотного устройства 14 и места крепления к нему тросов 13 и 15 показаны на Фиг. 3. Поворотное устройство 14 выполнено в виде металлического стержня 16 с центральным отверстием. На верхнем конце стержня 16 имеется ограничительное кольцо 17, к которому крепится трос 13, удерживающий буй 9. На стержень 16 надето поворотное кольцо 18, к которому крепится идущий от катамарана 1 удерживающий трос 15. Стержень 16 поворотного устройства 14 закреплен в вертикальном отверстии груза 12, при этом электрический кабель от потребителя электроэнергии 11 идет к бую 9 снизу через центральное отверстие в стержне 16. При натянутом тросе 15 конструкция поворотного устройства 14 не ограничивает вращательное движение троса 15 вокруг стержня 16 при любом угле поворота.
Установка работает следующим образом. Катамаран 1 приводится в район нахождения буя 9, где к электрогенератору 6 подсоединяется идущий к бую 9 электрический кабель 7. После этого начинается автономное плавание катамарана 1. Под действием сил ветра, действующих на его надводную часть, катамаран дрейфует в направлении ветра до тех пор, пока он не останавливается удерживающим тросом 15, при этом, из-за крепления удерживающего троса 15 к катамарану, он оказывается в положении, когда ветер дует в направлении, перпендикулярном подветренному корпусу катамарана. После этого автоматически устанавливаются паруса площадью, соответствующей силе ветра, и развернутые под углом приблизительно 45 градусов к направлению ветра. Под действием аэродинамических сил, действующих на его паруса, катамаран начинает двигаться, а поскольку катамаран соединен с удерживающим тросом 15, то он будет двигаться по окружности, центром которой является поворотное устройством. Схема движения катамарана 1 показана на Фиг 4 а). На траектории движения катамарана расположены точки т. 1 и т. 2, симметричные относительно направления ветра, в которых положение парусов катамарана меняется на противоположное, симметричное положение, и он начинает двигаться в обратную сторону. Схема изменения положения парусов катамарана 1 показана на Фиг. 4 б). При изменении направления ветра траектория движения катамарана относительно направления ветра не изменяется. При движении катамарана 1 образуется обтекающий его поток, который вращает винт 5 и соединенный с ним электрогенератор 6, вырабатывающий электричество. С помощью электрического кабеля 7, а также с помощью установленного на буе 9 поворотного контактного устройства 10 и кабеля 11, идущего от буя 9 к месту его крепления на морском дне, вырабатываема электрогенератором 6 энергия передается потребителю.
Таким образом, для выработки электричества траектория движения катамарана организована так, что он совершает циклические движения по окружности в заданном угловом интервале. При такой организации траектории движения катамарана автоматическое управление его движением сводится к изменению положения парусов в точках поворота на противоположное, симметричное, и к изменению площади парусов в зависимости от силы ветра. В настоящее время технология этих операций в парусных судах хорошо отработана, поэтому в предложенном устройстве парусной энергетической установке автоматическое управление движением катамарана упрощается и повышается надежность функционирования парусной энергетической установки.