Плавуча вітроустановка

Плавуча вітроустановка, що містить плавучий засіб і встановлене на його палубі вітроколесо, сполучене вертикальним валом обертання з електрогенератором і з шарнірно закріпленою протива C2 2 (19) 1 3 трьохланковим шарнірним механізмом, що посилює поворот головки при відхиленні під дією вітру. Вісь обертання вітроколеса утворює кут (при надмірному тиску вітру) з вектором швидкості вітру і відбір енергії зменшується. При куті у 90° колесо може зупинитися. Повернення в початкове положення здійснюється за допомогою пружини. До недоліків аналога слід віднести зайву складність конструкції регулятора, використання пружних елементів, з часом погіршуючих свої параметри. Відомий також регулятор швидкості обертання вітроколеса [Пат. Российськой Федерации №2151908, МПК6 F03D7/02, Хайруллин И.Х. и др.. Опубл. 27.06.2000г., Бюл. №18, приоритет от 15.03.1999г.], що базується на принципі зміни кута нахилу вітроколеса до вітру. В регуляторі з головкою, що перекидається, надмірний тиск вітру повертає її, зменшуючи площу захвату вітру. Точність регулювання швидкості обертання вітроколеса забезпечується за рахунок того, що замість пружних елементів, що утримують оптимальний нахил колеса до вітру, застосований кулісний механізм, який створює баланс моментів, відповідний оперативному співвідношенню тиску повітря і сили тяжіння вантажу. До недоліків цього аналога слід віднести конструктивну складність регулятора, малий ступінь демпфування поривів вітру, складність технічної реалізації принципу для установок великої потужності, а також обмежену область вживання - регулятор не можна застосувати для вертикальноосьових ВЕУ. Найближчим технічним рішенням, обраним за прототип, є вітроенергетична установка морського базування [по Пат. РФ №2184268 МПК7 F03D9/00, Шпаков Г.Т. и др.. Приоритет от 23.11.2000, Опубл. 27.06.2002], яка містить плавучий засіб, що узято на якір, і на його палубі встановлено вітроколесо з похилою віссю приводу електрогенератора. В центрі корпусу плавучого засобу в крізній шахті на карданній підвісці шарнірно закріплена противага, жорстко сполучена з вертикальним валом обертання вітроколеса типу Дар'є. До недоліків прототипу слід віднести конструктивні обмеження свободи кутового нахилу вітроколеса, а також технічні труднощі, що виникають при оперативному транспортуванні вітроенергетичної установки, оскільки профілі надводних і підводних вузлів, що не трансформуються, створюють значний аеро- та гідроопір. В основу запропонованого рішення поставлена задача покращання параметрів мобільності ВЕУ і спрощення вузла управління швидкістю обертання ротора вітроколеса. Поставлена задача вирішується тим, що в плавучій вітроустановці, що містить плавучий засіб і встановлене на його палубі вітроколесо, сполучене вертикальним валом обертання з електрогенератором і з шарнірно закріпленою противагою, згідно з винаходом, плавучий засіб виконаний у вигляді катамарана, корпуси якого зв'язані загальною піднятою палубою і забезпечені двигунами, переважно - електричними, а також якірним блоком і баластною масою, якою в кожному корпусі 86863 4 катамарана служать батареї накопичувальних акумуляторів, встановлених в донній частині, вітроколесо виконане у вигляді ортогонального ротора, встановленого на вежі, складеній з жорстких просторових ферм і укріпленої на верхній площині опорної площадки, яка підвішена в міжкорпусному просторі катамарана за допомогою шарнірних з'єднань з можливістю кутового нахилу в діапазоні [0°-90°] навкруги точок закріплення, а на нижній площині площадки укріплена зворотна вежа аналогічної будови, до нижньої вершини якої жорстко приєднана противага, що має герметичну порожнину, донна стінка якої потовщена і виконана з обтічними обводами, а також оснащена кінгстоном і верхнім клапаном для продування, який через порожнину зворотної вежі за допомогою гнучкого шланга сполучений з бортовою помпою, що живиться від акумуляторів. Проведемо порівняльний аналіз принципів модернізації пристрою, що патентується. Використання вітрового кінетичного потенціалу на плавучих засобах створює декілька специфічних проблем. Судна середнього та малого розміру, на яких може бути встановлена ВЕУ, є нестійкими опорами. Парусність встановленої на них ВЕУ може привести до додаткового крену, зносу, або ж розгойдування судна. Тому при стоянках в бухтах, гирлах річок і інших місцях, вибраних для роботи, їм потрібне додаткове разчалювання і засоби для збільшення жорсткості спирання та заспокоєння качання. В пристрої, що патентується, розгойдується тільки вежа ВЕУ, а компенсатором коливань служить противага, що гасить надмірну амплітуду шляхом розтрати енергії на роботу проти сил гідроопору. Парусність призводить тільки до крену вежі і сили вітрового тиску не впливають на судно при строгій орієнтації навстріч вітру. Позиційна стійкість установки залежить від базового рознесення корпусів катамарана. База може бути спеціально збільшена, оскільки даний плавзасіб є ходовою частиною ВЕУ, а не самостійним судном. Флюгування плавучої ВЕУ може бути спрощене за рахунок легкості зміни положення заякореного в одній точці судна, що знаходиться в полі сумісної дії вітрового тиску та хвильового накату. Це дає можливість скасувати вузли, що проводять орієнтацію, які мають ускладнену конструкцію і утрудняють роботу та обслуговування установки. І таким чином процедура орієнтації на вітер стає функцією плавучого засобу, а не самої ВЕУ. До важливих параметрів мобільності опорних плавзасобів для ВЕУ слід віднести такі характеристики: добрі ходові якості, непотрібність буксирування, мінімум монтажних робіт при підготовці до пересування і при інсталяції на місці. Плавзасіб прототипу є непоганою опорою, але здатен тільки до дрейфу, а не до спрямованого швидкісного переміщення; противага, що не забирається, демпфує коливання при роботі, але гальмує рух при транспортуванні; установка-прототип нездатна до дальнього самостійного переміщення. В ВЕУ, що патентується, вежа з противагою встановлені не на судні, а закріплені між двома корпусами катамарана на шарнірних з'єднаннях. І 5 таким чином схема являє собою двуплечний маятник з несиметричними плечами сил. Виконана по цій схемі вітроустановка має змогу нахилятися навкруги області закріплення під дією неврівноважених сил на 90°. В початковому положенні момент сил з боку вежі менше і маятник знаходиться у вертикальному положенні (перпендикулярно до вектора швидкості вітру). Тиск вітру на вітроколесо відхилює систему від вертикалі. При цьому воно нахиляється і встановлюється в поточному стійкому положенні (під будь яким довільним кутом до вітру), в якому ловить тільки частину номінального потоку і обороти його падають. У прототипі стінки шахти обмежують кут нахилу вітроколеса невеликим діапазоном. Більш сильний вітер притискує штангу противаги до стінок шахти і сили парусності вітроколеса діють вже на корпус плавзасобу, розхитуючи його. Катамаран є і задовільною опорою, але ще і судном з хорошими ходовими якостями. Ходова бортова установка робить ВЕУ автономною, здатною переміщатися за рахунок власних запасів енергії. Силова рама легко трансформується і без демонтажу перетворює робочу модифікацію ВЕУ в мобільну і назад. Операції перебудови виконуються за допомогою противаги, яка спливає, або ж поринає, в залежності від стану її порожнини. Транспортування здійснюється при горизонтальному положенні вежі (при сухій порожнині противаги). При інсталяції противагу затоплюють, заповнюючи водою її порожнину. При цьому вона піднімає вежу вертикально. Потім ВЄУ фіксують за допомогою якоря. На плавучих ВЕУ, працюючих в регіонах з мінливими вітрами, доцільно застосовувати ортогональні вітроколеса роторного типу (Дар'є, Савоніуса), робота яких практично не залежить від напрямку вітру. Вони не потребують оперативного і точного коректування положення. Проте вертикальноосьові вітроколеса більшою мірою, ніж пропелерні модифікації залежать від швидкості вітру. У них відносно вузький робочий діапазон оптимального рівня вироблення електроенергії. Ротор Дар'є має діапазон оптимальних швидкостей, далекий від небезпечних. Але при великому тиску швидкість обертання ротора досягає значень, при яких потік повітря через колесо практично припиняється, колесо втрачає «прозорість». Перетворення енергії має великий ККД до того, як колесо втратить прозорість до вітру. При цьому різко зростає парусність і зменшується вихідна потужність. Тому необхідно змінювати енергетику потоку, що приймається, або перетин захоплюваного струменя. Це досягається шляхом зміни нахилу осі вітроколеса. При цьому змінюється кут атаки для лопастей (крил), які звичайно укріплені прямовисно. Змінюючись пропорційно тиску кут нахилу вежі сам регулює перетин захоплення потоку. Маятник нахиляється під дією моменту швидкісного напору, що росте. Від цього зменшується перетин робочого струменя і з'являється кут скату потоку, що зменшує крутильний момент і вітроколесо скидає обороти, входячи в оптимальний діапазон швидкостей. Таким чином, в установці, що патентується, 86863 6 парусність використовується для регулювання швидкості обертання ротора. Супутньою перевагою такого компонування є зменшення згинаючого моменту, діючого на вісь ротора, яка закріплена тільки в нижній точці. В похиленій позиції ротор працює в косих струменях, частина яких відбивається під непродуктивними кутами, а частина йде із зони взаємодії. Напруги вигину лопастей ослабляються. Спрощення базової конфігурації виражається в тому, що в пристрої, який патентується, немає спеціалізованого вузла для управління швидкістю обертання ротора. Проблема вирішуватися позиційним методом. Тарування маятника по балансу навантаження (установка плечей) дає можливість отримати пристрій з автокорекцією відбору потужності вітру, причому удержувати обороти в діапазоні оптимальної переробки енергії. Це зменшує залежність продуктивності роторних вітроколес від сили вітру. За наявними в авторів відомостям запропоновані істотні ознаки, що характеризують суть винаходу, не відомі в даному розділі техніки. Запропоноване технічне рішення може бути використано на підприємствах по виготовленню плавучих вітроустановок. Як приклад конкретного виконання представлена мобільна ВЕУ, працююча на плавучих засобах і переміщувана при їх же допомозі. На Фіг.1 приведена схема ВЕУ в робочій позиції, на Фіг.2 - та ж позиція у вигляді зверху, на Фіг.3 зображена ВЕУ у позиції транспортування. На Фіг.1 та 2 показана схема робочої позиції ВЕУ. Вежа 1 ВЕУ, виконана у вигляді металевої об'ємної ферми, забезпечена вітроколесом 2 з вертикальним валом 3 і встановлена на опорній площадці 4, з нижньої сторони якої закріплена противага 5 на зворотній вежі. Площадка підвішена в міжкорпусному просторі катамарана і пов'язана з бортами обох корпусів 6 шарнірними з'єднаннями 7. Корпуси 6 катамарана сполучені загальною піднятою палубою 8 і постачені якірним вузлом 9. На площадці 4 знаходиться електрогенератор будь-якого загальновідомого типу в герметичному корпусі (не показаний). В трюмах корпусів катамарана можуть бути розміщені акумуляторні батареї, водяна помпа та інше електроустаткування (показані умовно, без нумерації), зв'язані гнучкими кабелями. Противага 5 виконана у вигляді ємкості, стінка 10 якої потовщена. Вона оснащена кінгстоном 11 і пневмоклапаном 12. З вежею 1 противага жорстко сполучена за допомогою зворотної вежі 13 (через площадку 4). В робочому режимі порожнина противаги заповнена водою, в режимі транспортування - осушена. Місце розміщення шарнірних з'єднань співпадає з віссю ваги судна. Завдяки такому підвісу система «вежапротивага» є подвійним асиметричним по плечах маятником із загальною точкою закріплення, в якому елементарним чином балансуються навантаження, які надходять від протилежних плечей. Вітроустановка працює наступним чином. 7 Коли вітру немає вежа 1 стоїть вертикально, орієнтуючи лопасті вітроколеса 2 на максимальний кут атаки. При цьому сталість робочого положення забезпечується декількома вузлами. Катамаран 5 закріплений через якір з носової сторони і тому орієнтація гарантується його зносом в стійке положення силою вітру і хвильового накату. Ця точка зміщується. Дрейф судна може викликатися коливаннями напряму вітру, великомасштабними турбулентностями вітрового потоку, а також періодичними розузгодженнями хвильового поля і вітрового фронту. Але зсуви не впливають на роботу ВЕУ, оскільки зсув є знаком оперативної самокорекції орієнтації. Автоорієнтація катамарана дає можливість утримувати площину відхилення вежі уздовж вітру. Таким чином, тиск вітру прямо нахиляє ротор і крен цей пропорційний тиску, оскільки при великій інерційності противаги, збільшеної гідроопором, переривисте навантаження на ротор інтегрується і його реакція на імпульси тиску стає плавною. Оскільки обидва корпуси катамарана мають баластні маси, розміщені в донній зоні трюму, то це збільшує їх осідання, але підвищує стійкість до бічних сил (за ситуації, коли напрям хвиль і вітру не співпадають, що особливо актуальне в прибережних районах). Вітровий тиск розкручує ротор вітроколеса і обертаючий момент передається трансмісією на вал електрогенератора. Електроенергія, що виробляється, йде в мережний фідер або на зарядку бортових накопичувальних акумуляторів. Якщо швидкість вітру знаходиться в нормованому діапазоні, то крен установки невеликий і мало змінює продуктивність ВЕУ. При посиленні вітру крен збільшується і надмірна частина повітряного потоку скачується з вітроприймальних поверхонь ротора Таким чином установка сама тримається в діапазоні оптимальної переробки вітрового потенціалу. При буревому вітрі крен вежі може бути дуже великий, аж до горизонтального (що можна утворити навмисне, на період шторму). Цим створюється режим максимального захисту вітроколеса від ушкоджуючих чинників, чим саме установка, що патентується, вигідно відрізняється від прототипу. Установка, що патентується, мобільна. Її повний монтаж здійснюється в заводських умовах, в доці, де є все необхідне оснащення та устаткування. З дока вона виходить укомплектованою і повністю готовою до роботи. Для доставки на місце роботи, віддалене від місця виготовлення на значні відстані (оскільки вона розрахована на обслуговування районів, не охоплених електрифікацією, для тимчасових поставок енергії) ВЕУ трансформується в горизонтальну позицію (Фіг.3). На воду катамаран 6 спускають при осушеній порожнині противаги і при закритому кінгстоні і клапані. В 86863 8 такому положенні противага 5 набуває плавучості і тримається на поверхні, тимчасово виконуючи функції третього корпусу плавзасобу. Днище противаги виконано обтічним, в горизонтальному положенні воно стає носовою частиною тримарана, що утворився. Вежа 1, жорстко пов'язана з противагою 5, також переходить в горизонтальне положення, збільшуючи протимоментом ваги його плавучість. Лопасті 2 вітроколеса зааретовані. В цій позиції вежа спирається на дві точки: на шарнірне кріплення 7 і на плаваючу противагу 5. Моменти сил підібрані таким чином, що противага із запасом переважує вежу з вітроколесом, а протидіюча архимедова сила встановлює весь маятник горизонтально. Використовуючи бортові електродвигуни, оснащені гвинтовими двигунами, вітроустановка може самостійно і керовано перепливати до місця роботи. В пункті призначення катамаран ставлять на одноточковий якір, в корпусі противаги 5 відкривають кінгстони і його порожнина самопливне заповнюється водою. При цьому вона втрачає плавучість і поступово занурюється. Пов'язана з противагою вежа 1 при цьому підіймається і встановлюється вертикально. Подальша робота ВЄУ вже описана вище. При необхідності перевозу ВЕУ в інше місце її знову повертають в мобільну позицію, для чого проводять слідуючі операції. Закривають кінгстони 11, відкривають клапан 12 (Фіг.1) і за допомогою бортової помпи, живленої від батареї акумуляторів, витісняють воду з порожнини противаги. При цьому її плавучість поступово відновлюється і, спливаючи, вона переводить вежу в горизонтальне положення. Після зняття катамарана з якоря ВЕУ може переміщатися в інший пункт. Викладений принцип трансформації ВЕУ з робочого стану в мобільний і назад показує, що це досягається тільки зміною взаємного розташування її вузлів і не вимагає реконструкції або часткового розбирання. Переведення в робочий режим вимагає мало часу, в зворотний - дещо більшого. Енергетичні ресурси на трансформацію беруть із внутрішніх резервів, вироблених самою установкою. Засоби транспортування мобільної ВЕУ є водночас її робочими органами. Катамаран на стоянці виконує функцію опорної плавучої платформи, а при транспортуванні стає судном. Противага при русі виконує функцію третього корпусу, а на стоянці є противагою и демпфером коливань. Таким чином, ВЕУ, що патентується, є самохідною установкою-трансформером з авторегулюванням обертів ротора. В її конструкції одні і ті ж вузли забезпечують її мобільність і регулюють швидкість обертання вітроколеса. Враховуючи перелічене можна зробити висновок, що обидві поставлені задачі вирішено комплексним шляхом. 9 Комп’ютерна верстка Н. Лисенко 86863 Підписне 10 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601