Енергетична установка “сбп-2″

Реферат: Енергетична установка містить встановлену на кільцевому понтоні платформу з перетворювачем вітрової енергії в електричну, виконаним у вигляді вітроколеса з валом і електрогенератор. Вона 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 прикріплених до внутрішньої частини обода вітроколеса або до спиць вітроколеса виносних рухомих в вертикальній площині і встановлених з можливістю повороту навколо своєї осі вертикальних консолей, призначених для їх розміщення в товщі води, на нижньому кінці кожної з яких закріплено електрогенератор з гвинтом гідротурбіни, встановленим з можливістю обертання в товщі води, принаймні одна пара виносних консолей забезпечена механізмами їх підйому над верхньою площиною монорейки, а установка забезпечена системою управління, призначеною для керування роботою установки в залежності від параметрів вітру і води, а також її запуску та зупинки. UA 88805 U (12) UA 88805 U UA 88805 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 F03D3/06 (2006.01); F03D9/00 (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 вітроротора з електрогенератором і складна система механізмів керування надводними та підводними елементами знижують надійність установки і призводять до її подорожчання, що обмежує і галузі її використання, і скорочує 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 прикріплених до внутрішньої частини обода вітроколеса або до спиць вітроколеса виносних рухомих в вертикальній площині і встановлених з можливістю повороту навколо своєї осі вертикальних консолей, призначених для їх розміщення в товщі води, на нижньому кінці кожної з яких закріплено електрогенератор з гвинтом гідротурбіни, встановленим з можливістю обертання в товщі води, принаймні одна пара виносних консолей забезпечена механізмами їх підйому над верхньою площиною монорейки, 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 управління містить блок керування з відповідним програмним статком, датчики температури, напрямків та потужностей потоків повітря і води, а також рушії механізмів гальмування, підйому та обертання виносних консолей, при цьому відповідні входи блока керування з'єднані з датчиками температури, напрямків та потужностей потоків повітря і води, а відповідні виходи блока керування - з рушіями механізмів гальмування, підйому та обертання виносних консолей. 1 UA 88805 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Ще однією особливістю пропонованої енергетичної установки є і те, що виносні консолі і вал вітроколеса виконані порожнистими. Крім того, особливістю пропонованої енергетичної установки є і те, що вона забезпечена допоміжним дизель-генератором, а також засобами керування та навігації, встановленими для можливості її автономного переміщення по водоймі при загальмованому вітроколесі та використання електрогенераторів як двигунів (рушіїв). 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 в 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 діаметра 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 вала стандартного генератора, або багатополюсний генератор великого діаметра. Але, точка на колі ободу вітроколеса, за час обороту проходить шлях, що у 3,14 (у число Пі) разу більший за діаметр, а значить, встановивши на ободі вітроколеса чи поблизу з ним у воді електричний генератор з надітою на вал гідротурбіною з оптимальним кроком лопатей і розмістивши його у товщі води, можна легко отримати потрібне значення обертів вала турбіни для нормальної (штатної) роботи електрогенератора без застосування підвищуючого редуктора. При цьому гідротурбіни, розташовані 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 громіздких металоємних 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. За рахунок створення в установці можливості опускання у воду визначеної кількості електрогенераторів та утримання в повітрі над водою - решти, пропонована установка 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 належать до різних галузей, а тому можна зробити висновок про те, що пропоноване рішення відповідає критерію корисної моделі "промислова придатність". Суть конструкції пропонованої енергетичної установки показана на схематичних кресленнях. На фіг. 1 представлено зовнішній вигляд кільцевого понтону з закріпленим на ньому монорельсом. На фіг. 2 представлено зовнішній вигляд вітроколеса пропонованої установки. На фіг. 3 показана пропонована установка в роботі. На фіг. 4 показано пропоновану установки в роботі при половинному навантаженні. 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 закріплено монорейку 2. Монорейка 2 призначена для переміщення по ній і утримування 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 2 UA 88805 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 яруса асиметрично встановлених трикутних вітрил. Пропонована енергетична установка також оснащена допоміжним дизель-генератором 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 прикріплених до внутрішньої частини обода 4 вітрового колеса і до спиць 7 вітроколеса виносних рухомих в вертикальній площині і встановлених з можливістю повороту навколо своєї осі вертикальних консолей 8. Консолі 8 призначені у початковому стані для їх розміщення у товщі води. На нижньому кінці кожної консолі 8 закріплений електрогенератор 9, що приводиться в дію гвинтом гідротурбіни, встановленим з можливістю обертання у потоці води. Вертикальні консолі 8 і маточина 6 виконані порожнистими для зниження навантаження на колісні блоки 3. Виносні консолі 8 забезпечені механізмами повороту і підйому над верхнею площиною монорейки 2 /не показано/. Вказаний механізм повороту і підйому вмонтований в порожнині кожної вертикальної консолі 8 і може бути виконаний у вигляді зубчасто-рейкової передачі, забезпеченої електроприводом і електромагнітною муфтою, призначеною для з'єднання вала електроприводу із зубчасто-рейковою передачею для виконання або підйому консолі 8, або її повороту навколо своєї осі. В установці може бути застосована наприклад така муфта з електромагнітним керуванням, як описана на сайті: http://www.servomech.ru/stati/vidyelektromagnitnyh-muft Механізм повороту і підйому призначений для зниження навантаження на вітроротор при зменшенні сили вітру шляхом виведення одного чи більше електрогенераторів 9 з води. Установка обладнана системою управління, призначеною для керування роботою установки в залежності від параметрів вітру і води, а також її запуску та зупинки. Система управління містить блок керування з відповідним програмним статком, датчики напрямків, потужностей і температури потоків повітря і води, а також рушії механізмів підйому і повороту вертикальних консолей 8 і гальмівного механізму. 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 механізмів підйому і повороту вертикальних консолей 8, вмиканнявимикання комутаційного апарату, призначеного для підключення-відключення, через сполучення 10, що обертається, кабеля 11 до навантаження і гальмівного механізму /не показано/. Як блок керування може бути використаний програмований контролер з відповідним програмним статком. Пропонована енергетична установка - плаваюча вітрова турбіна - працює так. Попередньо поблизу берегу водойми, де глибина є достатньою для утримування установки на плаву, виконують монтаж установки. Потім, за допомогою дизель-генератора, а також засобів керування і навігації, установка самостійно з мінімальним екіпажем транспортується на задану ділянку водойми (моря). Після прибуття на задану ділянку водойми віддають два-три якорі установки і приєднують кабель 10 до навантаження - споживчої електромережі. Вертикальні поплавки-циліндри 2 забезпечують робочу осадку кільцевого понтону 1. Вітер номінальної сили повертає кожне трикутне асиметрично встановлене на торсійному підвісі вітрило 5 і приводить до обертання вітроколесо з ободом 4 і його рух за допомогою колісних блоків 3 по кільцевій монорейці 2 в заданому напрямку (за напрямком годинникової стрілки чи проти нього), а разом з ним примушує здійснювати кругові рухи в товщі води електрогенератори 9 і виробляти електричний струм. При цьому датчики напрямків, потужностей і температури потоків повітря і води системи управління передають відповідну інформацію на блок керування, який обробляє отриману з датчиків інформацію, генерує сигнали на рушії механізмів повороту і підйому вертикальних консолей 8 з електрогенераторами 9. Таким чином, здійснюється регулювання і об'єму виробленої електричної енергії, і швидкість обертання вітроколеса, і гвинтів електрогенераторів 9. Так, при слабкому чи помірному вітрі для зменшення опору обертанню вітрового колеса частину електрогенераторів 9 піднімають вертикальними консолями 8 над водою - над верхньою площиною монорейки 2, а при посиленні вітру - знову опускають електрогенератори 9 під воду. При цьому вітрове колесо забезпечує 3 UA 88805 U 5 10 обертання електрогенераторів 9 у товщі води і вироблення установкою електричної енергії. Для утилізації енергії морських і приливних течій в безвітряну погоду за допомогою системи керування і механізмів повороту і підйому кожну вертикальну консоль 8 опускають під воду на задану глибину і повертають в положення, при якому гвинт гідротурбіни кожного електрогенератора 9 виявляється у положенні, при якому швидкість обертання гвинта під дією потоку води виявляється найбільшою. Обод 4 вітроколеса при цьому повинен знаходитися в загальмованому положенні. 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. 15 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 45 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, 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 прикріплених до внутрішньої частини обода вітроколеса або до спиць вітроколеса виносних рухомих в вертикальній площині і встановлених з можливістю повороту навколо своєї осі вертикальних консолей, призначених для їх розміщення в товщі води, на нижньому кінці кожної з яких закріплено електрогенератор з гвинтом гідротурбіни, встановленим з можливістю обертання в товщі води, принаймні одна пара виносних консолей забезпечена механізмами їх підйому над верхньою площиною монорейки, 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 та потужностей потоків повітря і води, а також рушії механізмів гальмування, підйому та обертання виносних консолей, при цьому відповідні входи блока керування з'єднані з датчиками температури, напрямків та потужностей потоків повітря і води, а відповідні виходи блока керування - з рушіями механізмів гальмування, підйому та обертання виносних консолей. 3. Енергетична установка за п. 1, яка відрізняється тим, що вона обладнана допоміжним дизель-генератором, а також засобами керування і навігації, встановленими для можливості її автономного переміщення по водоймі при загальмованому вітроколесі і використання електрогенераторів як двигунів. 4 UA 88805 U 5 UA 88805 U 6 UA 88805 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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 7