Енергетична установка “сбп-1″

Реферат: Енергетична установка, призначена для роботи у водоймі містить встановлену на кільцевому понтоні платформу з перетворювачем вітрової енергії в електричну, виконаним у вигляді вітроколеса з валом, і електрогенератор. Енергетична установка містить вітроколесо з вертикальною віссю обертання і валом, з'єднаним спицями з ободом колеса, на якому встановлені поворотні вітрила-лопаті. Установка доповнена перетворювачем енергії води в електричну енергію. Кільцевий понтон виконаний у вигляді окремих вертикальних циліндричних поплавків, з'єднаних між собою трубчастими елементами та забезпечений якорями. Платформа виготовлена у вигляді кільцевої монорейки, жорстко закріпленої зверху на кільцевому понтоні з можливістю переміщення по кільцевій монорейці та утримування на ній обода вітроколеса. Перетворювач енергії води в електричну енергію виконаний у вигляді встановлених на нижній, призначеній для розміщення в товщі води, частині вітроколеса, принаймні двох пар виносних консолей, розташованих радіально відносно осі вітроколеса, консолі кожної пари встановлені симетрично відносно осі вітроколеса на заданому рівні від площини монорейки. На вільному кінці кожної консолі закріплений електрогенератор з гвинтом гідротурбіни, встановленим з можливістю обертання в потоці води. Принаймні одна пара виносних консолей забезпечена механізмом зчеплення їх з валом вітроколеса. Установка забезпечена системою управління, призначеною для керування роботою установки в залежності від параметрів вітру і води, а також її запуску та зупинки. UA 88806 U (12) UA 88806 U UA 88806 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Пропонована корисна модель належить до галузі малої енергетики та може бути використана для створення енергетичної установки великої потужності, виконаної у вигляді вітроенергетичної установки, агрегатованої з пристроєм для перетворення енергії води (течії і/або хвиль) в електричну енергію і призначеної для її автономної роботи на водоймі. Найбільш близькою за кількістю суттєвих ознак до пропонованої установки є енергетична установка, призначена для роботи у водоймі, яка містить, встановлену на кільцевому понтоні, платформу з перетворювачем вітрової енергії в електричну, виконаним у вигляді вітроколеса з валом та електрогенератор [Патент на винахід № 2330989, Росія, МПК F03D 3/06 (2006.01); F03D 9/00 (2006.01); дата публікації: 10.08.2008]. В указаному документі описана плаваюча вітроенергетична установка, що містить перетворювач енергії, кільцевий понтон, розміщений з можливістю обертання навколо вертикальної осі, повертальні лопаті, виконані з можливістю обертання навколо вертикальних осей, гнучкі тяги, зв'язані з кільцевим понтоном та з маточиною перетворювача енергії, встановленої з можливістю обертання співвісно з кільцевим понтоном, а перетворювач енергії встановлений на повертальній платформі, забезпеченій лопатями, розміщеними у воді з можливістю повороту навколо вертикальних осей за допомогою рушіїв повороту, встановлених на поворотній платформі, причому поворотна платформа встановлена на додатковому - центральному понтоні, розташованому на водній поверхні так, що він оточений кільцевим понтоном. Оскільки описана установка громіздка, для її транспортування, монтажу та обслуговування, зокрема, у відкритому морі, необхідне застосування спеціальної вантажопідйомної техніки та спеціалістів високої кваліфікації, що призводить до великих трудовитрат, а тому не завжди можливо. Крім того, зовнішній кільцевий понтон, що обертається, в описаній установці витрачає значну частину енергії вітру на тертя об воду, а при неминучому обростанні з часом водоростями та молюсками ця частина втрат збільшується. Додатковий - центральний понтон не в змозі повністю протистояти паразитному обертальному моменту генератора, що також знижує коефіцієнт використання енергії вітру, а наявність трансмісії, призначеної для з'єднання валу вітроротору з електрогенератором і складна система механізмів керування надводними та підводними елементами знижують надійність установки і призводять до її подорожчання, що скорочує і галузь її використання, і ресурс. В основу пропонованої корисної моделі поставлена задача створення такої енергетичної установки, яка була б більш надійною і, одночасно, мала б меншу вартість. Поставлена задача вирішується за рахунок створення умов для використання як силової трансмісії енергетичної установки замість редуктора, як в прототипі, води водойми, на якій розміщена установка. Поставлена задача вирішується у пропонованій установці, що, як і відома енергетична установка, призначена для роботи у водоймі і містить, встановлену на кільцевому понтоні, платформу з перетворювачем вітрової енергії в електричну, виконаним у вигляді вітроколеса з валом і електрогенератор, а, відповідно до пропонованої корисної моделі, енергетична установка містить вітроколесо з вертикальною віссю обертання і валом, з'єднаним спицями з ободом колеса, на якому встановлені поворотні вітрила-лопаті, а установка доповнена перетворювачем енергії води в електричну енергію, кільцевий понтон виконаний у вигляді окремих вертикальних циліндричних поплавків, з'єднаних між собою трубчастими елементами і забезпечений якорями, платформа виготовлена у вигляді кільцевої монорейки, жорстко закріпленої зверху на кільцевому понтоні з можливістю переміщення по ньому та утримання на ньому обода вітроколеса, при цьому перетворювач енергії води в електричну енергію виконаний у вигляді встановлених на нижній, призначеній для розміщення у товщі води, частині вітроколеса, принаймні двох пар виносних консолей, розташованих радіально відносно осі вітроколеса, консолі кожної пари встановлені симетрично відносно осі вітроколеса на заданому рівні від площини монорейки, на вільному кінці кожної консолі закріплений електрогенератор, що приводиться в дію гвинтом гідротурбіни, встановленим з можливістю обертання в товщі води, принаймні одна пара виносних консолей забезпечена механізмом зчеплення його з валом вітроколеса, а установка забезпечена системою управління, призначеною для керування роботою установки в залежності від параметрів вітру і води, а також її запуску та зупинки. Особливістю пропонованої енергетичної установки є і те, що система керування містить блок керування з відповідним програмним статком, датчики температури, напрямків і потужностей потоків повітря і води, а також рушії механізмів зчеплення, при цьому відповідні входи блока керування з'єднані з датчиками температури, напрямків і потужностей потоків повітря і води, а відповідні виходи блока керування - з рушіями механізмів зчеплення та гальмування. 1 UA 88806 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Ще однією особливістю пропонованої енергетичної установки є і те, що виносні консолі та вал вітроколеса виконані порожнистими. Крім того, особливістю пропонованої енергетичної установки є і те, що вона забезпечена допоміжним дизельгенератором, а також засобами керування та навігації, встановленими з можливістю її автономного переміщення по водоймі при загальмованому вітроколесі та використання електрогенераторів як двигунів - рушіїв установки. Для забезпечення роботи установки в умовах замерзання поверхні водойми може бути застосований пристрій, виконаний у вигляді обсадної труби, розміщеної із зазором на валу вітроколеса. Обсадна труба при цьому утримується спицями, з'єднаними з кільцевим понтоном. Обсадну трубу розташовують вертикально і частково над водою. Підводний відрізок обсадної труби повинен закінчуватися глибше за глибину можливого промерзання водойми. Внутрішній простір між обсадною трубою і валом вітроколеса заповнюють в'язкою рідиною, що не змивається та не замерзає при температурі навколишнього повітря до -50 °C. При цьому обсадну трубу в зоні верхнього та нижнього торців забезпечують ущільнюючими елементами. Ще однією особливістю пропонованої енергетичної установки є можливість утилізації енергії морських і приливних течій. Так, у безвітряну погоду за допомогою системи управління і механізмів гальмування та зчеплення електрогенератори фіксують в положенні, при якому гвинт гідротурбіни кожного електрогенератора встановлюється у положенні, при якому швидкість його обертання під дією потоку води у водоймі виявляється найбільшою. Обід вітроколеса при цьому повинен знаходитись в загальмованому стані. Пропонована енергетична установка може бути виконана збірно-розбірною з окремих порівняно невеликих вузлів. При цьому діаметр такої плаваючої вітрової турбіни може перевищувати 100 метрів і мати одиничну потужність у декілька мегават. Під час проведення патентно-інформаційних досліджень при підготовці даної заявки авторами не виявлені конструкції пропонованої енергетичної установки з вказаною вище сукупністю суттєвих ознак, що доводить відповідність пропонованого технічного рішення критерію "новизна". Технічний результат, отриманий в результаті здійснення пропонованої корисної моделі полягає у створенні умов для використання як силової трансмісії води водойми, на якій розміщена установка. Застосування води як редуктора відбувається так. Вітроколесо великого діаметру обертається під дією сили вітру з малою кутовою швидкістю, а тому для ефективного перетворення енергії вітру у електричну енергію потрібний або підвищуючий редуктор для обертання валу стандартного генератора, або багатополюсний генератор великого діаметру. Але, точка на колі ободу вітроколеса, за час обороту проходить шлях, що у 3,14 (у число Пі) раз більший за діаметр, а, значить, встановивши на ободі вітроколеса чи поблизу від нього електричний генератор з надітою на вал гідротурбіною з оптимальним шагом лопатей і розмістивши його у товщі води, можна легко отримати потрібне значення обертів валу турбіни для нормальної (штатної) роботи генератора без застосування підвищуючого редуктора. При цьому гідротурбіни, розташовані на різних рівнях під водою, обертаються синхронно з вітроколесом і виробляють електричну енергію під дією опору води, що діє на гвинт турбіни. Застосування пропонованої установки не потребує використання в ній тихохідних генераторів великих розмірів і підвищуючих редукторів, але дозволяє одержати при цьому значну сумарну потужність. Електрична енергія, що виробляється пропонованою установкою - плаваючою вітровою турбіною, практично, дорівнює сумі енергій, що виробляються встановленими на ній електрогенераторами. Електрогенератори ж при загальмованому вітроколесі дають можливість утилізувати енергію морських і приливних течій в безвітряну погоду і продовжувати вироблення електроенергії. Завдяки тому, що в установці принаймні одна пара виносних консолей забезпечена механізмом зчеплення його з валом вітроколеса, а установка забезпечена системою управління, призначеною для керування роботою установки в залежності від параметрів вітру і води, можливо змінювати навантаження на вітроротор та забезпечувати оптимальну роботу електрогенераторів шляхом зменшення чи збільшення кількості працюючих, що дозволяє виробляти оптимальний об'єм екологічно чистої електричної енергії. Пропонована енергетична установка складається з конструктивних елементів, для виготовлення яких використовують відомі на теперішній час технологічні прийоми, засоби і матеріали. Вона може бути використана як джерело екологічно чистої енергії, наприклад, для забезпечення життєдіяльності газонафтовидобувних платформ, в геології, дослідних станцій, які відносяться до різних галузей, а тому можна зробити висновок про те, що пропоноване рішення відповідає критерію корисної моделі "промислова придатність". 2 UA 88806 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Суть конструкції варіантів пропонованої енергетичної установки показана на схематичних кресленнях. На фіг. 1 представлено зовнішній вигляд кільцевого понтону з закріпленою на ньому монорейкою. На фіг. 2 представлено зовнішній вигляд вітроколеса пропонованої установки. На фіг. 3 показана пропонована установки в роботі. Енергетична установка містить кільцевий понтон, зібраний з окремих циліндричних поплавків 1 і трубчастих елементів, розміщених між ними, що забезпечений якорями /не показано/. Зверху на кільцевому понтоні жорстко закріплена монорейка 2. Монорейка 2 призначена для переміщення по ній і утримання на ній за допомогою колісних блоків 3 ободу 4 вітрового колеса, виготовленого з трубчастих елементів. До колісних блоків 3 вмонтований гальмівний механізм /не показано/, призначений для примусової зупинки або звільнення ободу 4 шляхом його взаємодії з монорейкою 2. Гальмівний механізм може бути виконаний у вигляді імпульсного електромагніту, вмикання і вимикання якого здійснюється подачею короткого імпульсу струму на керуючу обмотку, переміщуючого якір електромагніту із зворотною пружиною з положення "гальмування" до положення "рух" і навпаки та призначений, відповідно, для блокування від переміщення колісних блоків 3 при гальмуванні або при вивільненні колісних блоків 3 - при вільному русі ободу 4 по монорейці 2 /не показано/. На бічній поверхні обода 4 вітроколеса встановлені з можливістю повороту на торсіонному підвісі однакові трикутні вітрила 5, кожне з яких розташоване асиметрично відносно вертикальної осі його повороту на торсіонах. Маточина 6 вітрового колеса з'єднана з ободом 4 спицями 7. Конструкція вітрового колеса пропонованої установки відповідає формулі до патенту України на корисну модель № 77932 "Вітрове колесо вітроенергетичної установки з вертикальною віссю обертання ротора", опублікованої 25.02.2013 р. в офіційному бюлетені Державної служби інтелектуальної власності України "Промислова власність" № 4. Для збільшення потужності вітрове колесо може мати більше одного ярусу асиметрично встановлених трикутних вітрил. Пропонована енергетична установка також оснащена допоміжним дизельгенератором для використання електрогенераторів як двигунів (рушіїв), а також засобами керування і навігації, встановленими з можливістю автономного переміщення установки по водоймі при загальмованому вітроколесі /не показано/. У пропонованій енергетичній установці перетворювач енергії води в електричну енергію виконаний у вигляді пар електрогенераторів 8 і 9, встановлених на вільних кінцях виносних консолей, відповідно 10 і 11. Консолі кожної пари 10, 11 розташовані радіально і симетрично відносно осі вітроколеса у початковому стані в його нижній, призначеній для розміщення у товщі води, частині на заданому для кожної пари рівні (відстані) від площини монорейки 2. Кожний електрогенератор 8 і 9 забезпечений гвинтом гідротурбіни, що приводиться у дію потоком води. До нижньої частини маточини 6, через сполучення 12, що обертається, підключений електричний кабель 13. Причому електрогенератори 8, встановлені на парних виносних консолях 10, знаходяться у постійному зчепленні із маточиною 6, а електрогенератори 9, встановлені на парних виносних консолях 11, забезпечені механізмом зчеплення, призначеним для виведення парних виносних консолей 11 із постійного зчеплення із маточиною 6 або введення їх в зчеплення /не показано/. Вказаний механізм зчеплення закріплений всередині порожнини маточини 6 і призначений для зниження навантаження на вітроротор при зменшенні сили вітру. Вказаний механізм може бути виконаний у вигляді муфти з електромагнітним керуванням, наприклад, такої, як описана на сайті: http://www.servomech.ru/stati/vidy-elektromagnitnyh-muft. Виносні консолі 10 і 11, а також маточина 6 виконані порожнистими для зниження навантаження на колісні блоки 3. Установка забезпечена системою управління, призначеною для керування роботою установки в залежності від параметрів вітру і води, а також її запуску та зупинки. Система управління включає блок керування з відповідним програмним статком, датчики напрямків, потужностей і температури потоків повітря і води, встановлені на відповідних рівнях маточини 6, а також рушій механізму зчеплення парних виносних консолей 11 із маточиною 6 і комутаційний апарат (магнітний пускач) для підключення-відключення кабелю 13 до/від навантаження /не показано/. При цьому відповідні входи блока керування з'єднані з датчиками напрямків, потужностей і температури потоків повітря і води, а відповідні виходи блока керування - з рушіями механізму зчеплення, комутаційного апарату і гальмівного механізму. Пропонована енергетична установка - плаваюча вітрова турбіна - працює так. Попередньо поблизу берега водойми, де глибина є достатньою для утримування установки на плаву, виконують монтаж установки. Потім, за допомогою дизельгенератора та засобів керування і навігації, установка самостійно з мінімальним екіпажем транспортується на задану ділянку 3 UA 88806 U 5 10 15 20 25 водойми (моря). Після прибуття на задану ділянку водойми віддають два-три якорі установки і приєднують кабель 13 до навантаження - споживчої електромережі. Вертикальні поплавкициліндри 2 забезпечують робочу осадку кільцевого понтону 1. Вітер номінальної сили повертає кожне трикутне, асиметрично встановлене на торсіонному підвісі, вітрило 5 і приводить до обертання вітроколесо з ободом 4 за допомогою колісних блоків 3 по монорейці 2 в заданому напрямку, а разом з ним примушує здійснювати кругові рухи у товщі води електрогенератори 8, 9 і виробляти електричний струм. Датчики напрямків, потужностей і температури потоків повітря і води системи керування передають відповідну інформацію на блок керування, який, обробляє отриману з датчиків інформацію, генерує сигнали на рушії механізмів зчеплення, призначені для введення чи виведення парних виносних консолей 11 із зчеплення з маточиною 6, підключення-відключення комутаційним апаратом кабелю 13 до навантаження і включеннявиключення гальмівного механізму ободу 4 вітрового колеса. Так, при слабкому чи помірному вітрі електрогенератори 9 можуть бути виведені з постійного зчеплення з маточиною 6 за допомогою механізму зчеплення, вмонтованого всередині маточини 6 по сигналу з блока керування, а при посиленні вітру можуть бути знову введені в зчеплення. Для утилізації енергії морських і приливних течій в безвітряну погоду за допомогою системи управління і механізмів гальмування і зчеплення електрогенератори 8 і 9 фіксують в положенні, при якому гвинт гідротурбіни кожного електрогенератора 8 і 9 має найбільшу швидкість обертання під дією потоку води. Обід 4 вітроколеса при цьому повинен знаходитися у загальмованому стані. Таким чином, пропонована установка дозволяє спростити конструкцію енергетичної установки порівняно з установкою-прототипом за рахунок використання як силової трансмісії не громіздкого і дорогого редуктора, як в установці-прототипі, а води водойми, на якій розміщена установка. Спрощення конструкції дозволяє отримати установку підвищеної надійності і, одночасно, меншої вартості, а, окрім сказаного, підвищує її ефективність завдяки можливості виробництва пропонованою установкою електричної енергії, не лише у вітряну погоду, але і в умовах повного штилю за рахунок утилізації енергії морських і приливних течій. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 45 50 55 1. Енергетична установка, призначена для роботи у водоймі, що містить встановлену на кільцевому понтоні платформу з перетворювачем вітрової енергії в електричну, виконаним у вигляді вітроколеса з валом, і електрогенератор, яка відрізняється тим, що енергетична установка містить вітроколесо з вертикальною віссю обертання і валом, з'єднаним спицями з ободом колеса, на якому встановлені поворотні вітрила-лопаті, а установка доповнена перетворювачем енергії води в електричну енергію, кільцевий понтон виконаний у вигляді окремих вертикальних циліндричних поплавків, з'єднаних між собою трубчастими елементами та забезпечений якорями, платформа виготовлена у вигляді кільцевої монорейки, жорстко закріпленої зверху на кільцевому понтоні з можливістю переміщення по кільцевій монорейці та утримування на ній обода вітроколеса, при цьому перетворювач енергії води в електричну енергію виконаний у вигляді встановлених на нижній, призначеній для розміщення в товщі води, частині вітроколеса, принаймні двох пар виносних консолей, розташованих радіально відносно осі вітроколеса, консолі кожної пари встановлені симетрично відносно осі вітроколеса на заданому рівні від площини монорейки, на вільному кінці кожної консолі закріплений електрогенератор з гвинтом гідротурбіни, встановленим з можливістю обертання в потоці води, принаймні одна пара виносних консолей забезпечена механізмом зчеплення їх з валом вітроколеса, а установка забезпечена системою управління, призначеною для керування роботою установки в залежності від параметрів вітру і води, а також її запуску та зупинки. 2. Енергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що система управління містить блок керування з відповідним програмним статком, датчики температури, напрямків і потужностей потоків повітря і води, а також рушії механізмів зчеплення та гальмування, при цьому відповідні входи блока керування з'єднані з датчиками температури, напрямків і потужностей потоків повітря і води, а відповідні виходи блока керування - з рушіями механізмів зчеплення та гальмування. 3. Енергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що вона обладнана допоміжним дизельгенератором, а також засобами керування і навігації, встановленими для можливості її автономного переміщення по водоймі при загальмованому вітроколесі і використанні електрогенераторів як двигунів. 4 UA 88806 U 5 UA 88806 U Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6