ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2002 года по МПК F03D3/06 

Изобретение относится к области малой энергетики и может быть использовано для создания установок повышенной мощности.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветровоспринимающие рабочие органы, установленные на каркасе из несущих элементов, размещенном на кольцевом понтоне, расположенном в заполненном жидкостью кольцевом канале, и преобразователь энергии, кинематически связанный с понтоном, выполненным полым, частично заполненным жидкостью и снабженным выдвижными лопастями, установленными на внутренней и внешней поверхностях понтона (см. авт. св. СССР 1719713, БИ 10, 1992 г.).

Недостатком известного решения является необходимость сооружения кольцевого канала, что существенно осложняет и удорожает монтаж установки. Недостаток выражается также в усложнении передачи механической энергии на электрогенераторы.

Известна также ветроэнергетическая установка, содержащая кольцевой понтон-ротор, снабженная ветровоспринимающими рабочими органами и гибкими элементами связи ротора со ступицами преобразователя энергии (см. патент РФ 2119092, БИ 26, 1998 г.).

Недостатками прототипа являются малая изгибная жесткость установки при больших диаметрах; ветровоспринимающие рабочие органы, расположенные на кольцевом понтоне, находятся на достаточно низком уровне, что приводит к снижению эффективности работы установки; расположение понтона и ветровоспринимающих рабочих органов на одном диаметре повышает силу сопротивления движению кольцевого понтона на воде. Кроме того, цельная конструкция ротора и отсутствие механизмов его подъема осложняет обслуживание и ремонт ветроэнергетической установки.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, выражается в повышении эффективности работы ветроэнергетической установки и ее устойчивости.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в снижении сил сопротивления движению кольцевого понтона на воде при одновременном повышении мощности на валу ветроэнергетической установки; в обеспечении размещения ветровоспринимающих рабочих органов в зоне, наиболее благоприятной для работы при их максимальном удалении от воды; обеспечивается существенное повышение жесткости всей конструкции, которая становится пространственной фермой.

Поставленная задача решается тем, что ветроэнергетическая установка, содержащая кольцевой понтон-ротор, снабженная ветровоспринимающими рабочими органами и гибкими элементами связи ротора со ступицами преобразователя энергии, отличается тем, что ветровоспринимающие органы размещены на кольцевой палубе, соосной и параллельной с кольцевым понтоном, размещенной над ним и скрепленной с кольцевым понтоном посредством стержневых, предпочтительно ферменных элементов.

Кроме того, расстояние между параллельными кольцевыми понтоном и палубой определяется из соотношения
h=0,05.....0,2D,
где h - расстояние между кольцевыми понтоном и палубой,
D - наибольший диаметр колец.

При этом расстояние между кольцевыми понтоном и палубой превышает максимальную высоту гребней волн в месте расположения установки.

При этом верхняя кольцевая палуба выполнена большего наружного диаметра, чем нижний кольцевой понтон, а нижний кольцевой понтон собран из отдельных понтонов, жестко связанных между собой, например, болтами. Кроме того, нижний кольцевой понтон выполнен с просветами между понтонами.

При этом основные гибкие элементы установлены между кольцевой палубой и ступицей преобразователя энергии, кроме того, она снабжена дополнительными гибкими элементами, одни концы которых скреплены с кольцевым понтоном, а другие связаны с механизмами изменения длины связей, например, лебедками, размещенными на ступице преобразователя энергии, а ступица преобразователя энергии расположена выше уровня кольцевого понтона так, что дополнительные гибкие элементы составляют угол к поверхности воды не менее 5^o.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак ". . .ветровоспринимающие органы размещены на кольцевой палубе, соосной и параллельной с кольцевым понтоном, размещенной над ним..." позволяет разместить ветровоспринимающие рабочие органы в зоне, наиболее благоприятной для работы.

Признак ". ..кольцевой палубой,.. скрепленной с кольцевым понтоном посредством стержневых, предпочтительно ферменных элементов..." позволяет увеличить жесткость ротора на изгиб практически без ограничений за счет увеличения расстояния между кольцами.

Признаки второго пункта формулы изобретения выбираются из условия обеспечения прочности и устойчивости ветроэнергетической установки.

Признак "...расстояние между кольцевыми понтоном и палубой превышает максимальную высоту гребней волн в месте расположения установки..." обеспечивает свободное прохождение волн под кольцевой палубой. Это снижает волновое воздействие.

Признак ". ..верхняя кольцевая палуба выполнена большего наружного диаметра, чем нижний кольцевой понтон..." направлен на снижение сил сопротивления движению понтона на воде.

Признаки "...нижний кольцевой понтон собран из отдельных понтонов, жестко связанных между собой, например, болтами..." и "...нижний кольцевой понтон выполнен с просветами между понтонами..." включены для технологических нужд. Выполнение кольцевого понтона из отдельных жестко связанных понтонов облегчит изготовление и ремонт ротора, а просветы между отдельными понтонами обеспечат возможность прохода маломерных судов, что облегчит обслуживание ветроэнергетической установки.

Признак "...основные гибкие элементы установлены между кольцевой палубой и ступицей преобразователя энергии. .." обеспечивает радиальную жесткость ротора ветроэнергетической установки без ограничения движения ротора по вертикали, например, при колебаниях уровня воды.

Признаки "...она снабжена дополнительными гибкими элементами, одни концы которых скреплены с кольцевым понтоном, а другие связаны с механизмами изменения длины дополнительных гибких элементов, например, лебедками, размещенными на ступице преобразователя энергии..," и "...ступица преобразователя энергии расположена выше уровня кольцевого понтона так, что дополнительные гибкие элементы составляют угол к поверхности воды не менее 5^o..." обеспечивают возможность подъема всего ротора с помощью механизмов натяжения над водой для обслуживания и ремонта и позволяют поднять ротор над водой в холодное время года и обеспечить работу ветроэнергетической установки с опорой ротора на поверхность льда.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена ветроэнергетическая установка в разрезе.

На чертеже показаны кольцевой понтон 1, кольцевая палуба 2, ферменные конструкции 3, ветровоспринимающие рабочие органы 4, механизмы поворота 5 рабочих органов 4, преобразователь энергии 6, ступица 7 преобразователя энергии 6, основные гибкие элементы 8, дополнительные гибкие элементы 9 и механизмы изменения длины связей 10.

Ротор ветроэнергетической установки состоит из двух несущих систем, связанных форменными конструкциями 3 так, что плоскости сечения этих систем параллельны поверхности воды. Нижняя несущая система выполнена в виде кольцевого понтона 1 (одна сторона которого выполнена необходимой формы для опоры на поверхность воды), собранного из отдельных жестко связанных, например, болтами или сваркой, понтонов с просветами более трех метров между понтонами. Можно выполнить понтон с минимальным волновым сопротивлением, например, в виде двух труб круглого сечения, которые обеспечивают и достаточную устойчивость.

На верхней несущей системе, представляющую кольцевую палубу 2 (выполненную, например, в виде плоского диска), установлены ветровоспринимающие рабочие органы 4, выполненные в виде поворотных лопастей с механизмом их поворота 5. Механизмы поворота 5 лопастей 4 могут быть выполнены в любом общеизвестном варианте, например зубчатая передача от приводного двигателя с управлением от флюгера. Расстояние между кольцевым понтоном и кольцевой палубой определяется из соотношения h=0,05-0,2D из условия обеспечения прочности и устойчивости установки. Здесь h - расстояние между кольцевым понтоном и кольцевой палубой, a D - наибольший диаметр этих колец. Жесткость ветроэнергетической установки на изгиб может быть увеличена без ограничений за счет увеличения расстояния между кольцевым понтоном и кольцевой палубой и увеличения их ширины. Ротор вращается вокруг стационарного основания, на котором установлен преобразователь энергии 6, на верхних концах которого выполнена ступица 7. Причем ступицу 7 преобразователя энергии 6 располагают выше уровня кольцевого понтона 1. Кольцевая палуба 2 связана со ступицей 7 преобразователя энергии 6 основными гибкими элементами 8 (например, системой тросов), которые обеспечивают радиальную жесткость ротора установки. Кольцевой понтон 1 дополнительными гибкими элементами 9 связан с механизмами 10 изменения длины связей, например, лебедками, которые размещены на ступице 7 преобразователя энергии 6.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

В исходном состоянии дополнительные гибкие элементы 9 ослаблены настолько, чтобы ротор установки полностью опирался на поверхность воды. При усилении ветра механизмы поворота 5 ветровоспринимающих рабочих органов 4 устанавливают в рабочее состояние, при котором начинает вращаться ротор. Одновременно за счет сил трения ротора о воду раскручивается водяной ринг. При достижении заданной частоты вращения включается преобразователь энергии 6. От действия ветра на ветровоспринимающие рабочие органы 4 ротор испытывает крутящий момент, который через гибкие элементы 8 передается на ступицу 7 и преобразователь энергии 6, и радиальную нагрузку, которая удерживается гибкими элементами 8 с подветренной стороны и жесткостью ротора с надветренной стороны. Большие волны при нормальной работе установки частично сглаживаются водяным рингом и могут проходить сквозь ферменные конструкции между кольцевым понтоном 1 кольцевой палубой 2. При возникновении возможности замерзания поверхности воды ротор поднимают, натягивая дополнительные гибкие элементы 9 механизмами 10 изменения их длины. При достижении устойчивой ледовой обстановки ротор может быть опущен на поверхность льда.

Изобретение относится к области малой энергетики и может быть использовано для создания ветроустановок повышенной мощности. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности работы ветроэнергетической установки и ее устойчивости, обеспечивается за счет того, что в ветроэнергетической установке, содержащей кольцевой понтон-ротор, ветровоспринимающие рабочие органы и гибкие элементы связи ротора со ступицами преобразователя энергии, согласно изобретению ветровоспринимающие органы размещены на кольцевой палубе, соосной и параллельной с кольцевым понтоном, размещенной над ним и скрепленной с кольцевым понтоном посредством стержневых, предпочтительно ферменных элементов. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая кольцевой понтон-ротор, снабженная ветровоспринимающими рабочими органами и гибкими элементами связи ротора со ступицами преобразователя энергии, отличающаяся тем, что ветровоспринимающие органы размещены на кольцевой палубе, соосной и параллельной с кольцевым понтоном, размещенной над ним и скрепленной с кольцевым понтоном посредством стержневых, предпочтительно ферменных элементов. 2. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что расстояние между параллельными кольцевыми понтоном и палубой определяется из соотношения
h = 0,05 - 0,2D,
где h - расстояние между кольцевыми понтоном и палубой;
D - наибольший диаметр колец. 3. Ветроэнергетическая установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что расстояние между кольцевыми понтоном и палубой превышает максимальную высоту гребней волн в месте расположения установки. 4. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что верхняя кольцевая палуба выполнена большего наружного диаметра, чем нижний кольцевой понтон. 5. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что нижний кольцевой понтон собран из отдельных понтонов, жестко связанных между собой, например, болтами. 6. Ветроэнергетическая установка по пп. 1 и 5, отличающаяся тем, что нижний кольцевой понтон выполнен с просветами между понтонами. 7. Ветроэнергетическая установка по п.1, отличающаяся тем, что основные гибкие элементы установлены между кольцевой палубой и ступицей преобразователя энергии, кроме того, она снабжена дополнительными гибкими элементами, одни концы которых скреплены с кольцевым понтоном, а другие связаны с механизмами изменения длины дополнительных гибких элементов, например, лебедками, размещенными на ступице преобразователя энергии. 8. Ветроэнергетическая установка по пп.1 и 7, отличающаяся тем, что ступица преобразователя энергии расположена выше уровня кольцевого понтона так, что дополнительные гибкие элементы составляют угол к поверхности воды не менее 5^o.