EA021599B1 - Устройство для объединения, распределения и передачи мощности для системы генерирования мощности с использованием водных потоков - Google Patents

Abstract

Описаны различные подсистемы подводных или надводных систем, используемых для генерирования мощности, извлекаемой из быстродвижущихся водных потоков с использованием системы генераторов индукционного типа, оснащенных одним или более пропеллеров пластинчато-кольцевого типа. Представленные и описанные решения индивидуально пригодны для использования в системах, применяющих традиционные приводные системы для генераторов и другие средства получения мощности. Описаны также средства для передачи мощности, генерируемой подобными системами, и, кроме того, системы якорения и удерживания, а также способы для улучшения систем транспортирования, установки и обслуживания.

Description

Область техники

Изобретение относится к системам генерирования мощности (энергии) на основе возобновляемых источников, а в своем конкретном (но неисчерпывающем) варианте - к системам, погруженным в воду или находящимся на ее поверхности и служащим для генерирования мощности, извлекаемой из движущихся с высокой скоростью водных потоков с применением генератора индукционного типа, снабженного одним или более пропеллерами пластинчато-кольцевой конфигурации.

В дополнение к вариантам, приводимым в данном описании в качестве примеров, многие системы и подсистемы, раскрытые в описании и формуле, пригодны для систем, использующих традиционные приводы генераторов и другие средства генерирования мощности.

Будут описаны также средства для передачи мощности, сгенерированной подобными системами, связанным с ними силовым сетям, якорные системы, а также способ и средства для установки и обслуживания компонентов подобных систем.

Предшествующий уровень техники

В связи с увеличением цен на ископаемые топлива и ростом потребности в энергии со стороны мировых экономик и отраслей происходит постоянный поиск различных, более эффективных способов разработки новых источников энергии. Особый интерес представляют альтернативные источники возобновляемой энергии, такие как устройства типа солнечных батарей, ветровые установки, генераторы на основе приливной волны, волновые генераторы и системы, извлекающие энергию из секвестрированного водорода.

Однако подобные источники энергии все еще неспособны вырабатывать мощность в коммерческих объемах для значительных регионов. Кроме того, некоторые из предложенных технологий, такие как системы, работающие на водороде и предусматривающие обработку морской воды, в действительности поглощают в процессе преобразования больше энергии, чем ее поступает на выход системы.

Другие системы, такие как извлекающие водород из метана, производят столько же или более выбросов, чем обычные технологии, основанные на нефти, для замены которой они предназначены. Другие системы, например на основе батарей, солнечной или ветровой энергии, требуют постоянного и существенного воздействия на них солнечного света или ветров, что принципиально ограничивает их эффективность.

Одна система (предложенная в качестве альтернативы) использует гидравлическую энергию, получаемую от быстродвижущихся водных потоков, например потоков с пиковыми скоростями, составляющими 2 м/с или более.

Однако на практике существующие подводные устройства для генерации мощности оказались неадекватными даже тогда, когда они были установлены в местах, где течения постоянно имеют высокую скорость. По меньшей мере в части случаев это объясняется отсутствием эффективных средств для генерирования мощности и отсутствием системы, необходимой, чтобы компенсировать несовместимость между подводной генерирующей системой и связанными с ней наземными или надводными станциями переноса мощности.

Существующие конструкции пропеллеров и надводных генерирующих механизмов оказались неадекватными, в частности неспособными обеспечить генерацию требуемой энергии или ее достаточную стабильность при максимальных скоростях течения.

Чтобы отобрать значительное количество кинетической энергии из водных потоков в океане, необходимо работать на большой площади. Как следствие, существующие конструкции пропеллеров для применения в морских условиях используют недопустимо большие, тяжелые и дорогие конструкции, изготавливаемые из известных тяжелых металлов и композитов на их основе. При этом известные пропеллеры для морских применений создают проблемы кавитации, возникающие при движении концов лопастей пропеллера через окружающую их воду.

Другая существенная проблема связана с экологическими аспектами, ассоциированными с получением энергии из водных потоков без повреждения окружающей водной флоры и фауны, такой как рифы, морская растительность, колонии рыб и др.

В связи с этим существует все еще не удовлетворенная потребность в системе генерации на основе водных потоков и в сопутствующих подсистемах, способных, преодолев существующие проблемы, генерировать и в согласованном порядке подавать значительные количества энергии на передающие станции удобным, надежным и экологически дружественным образом. Требуются также безопасные и надежные рабочие конфигурации, надежные и воспроизводимые системы крепления (якорные системы), а также способы и средства для установки таких систем и их обслуживания.

Сущность изобретения

Создано устройство для объединения мощности, генерируемой множеством систем генерирования мощности с использованием водных потоков, каждая из которых содержит одну или более подводных камер для придания плавучести. Одна или более из подводных камер содержит одну или более изолированных камер для текучей среды, имеющих положительную плавучесть, причем одна или более из изолированных камер содержит помещенную в нее указанную текучую среду, впускной и выпускной клапаны для указанной текучей среды и средство управления источником указанной текучей среды.

- 1 021599

Г енераторные блоки устройства содержат один или более подводных генераторных блоков индукционного типа, связанных с указанными камерами для придания плавучести; один или более пропеллеров, связанных с указанными генераторными блоками; якорную систему (систему крепления) и средства выведения сгенерированной мощности.

Устройство по изобретению дополнительно содержит средства для приема мощности, сгенерированной системами генерирования мощности, причем объединенная мощность передается (экспортируется) средствами выведения и доставляется в ближайшую энергетическую сеть либо непосредственно, либо после прохождения через устройство преобразования мощности.

Устройство для объединения мощности может находиться на океанском дне или в глубине воды или на ее поверхности. В одном конкретном примере в качестве устройства для объединения мощности используется плавучая или подводная платформа ЗРАК (стабильная платформа с большой осадкой); альтернативно, используется подводная конструкция, обеспечивающая большую свободу для подводной навигации в локальной зоне.

Каркасы генераторов и пропеллеры могут быть установлены путем их разворота в горизонтальное положение и обслуживаться в данном положении. Находящийся в воде центральный носовой конус с положительной плавучестью придает пропеллерам адекватную плавучесть, достаточную для достижения уровня поверхности воды, и максимальную стабильность при нахождении на уровне поверхности воды в случае ветра, течения или других погодных условий. Благодаря такому выполнению установка и обслуживание генераторных блоков осуществляются безопасным и эффективным образом.

Перечень чертежей

Специалистам будет легче понять представленные варианты и оценить задачи, особенности и достоинства изобретения из дальнейшего описания, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 представлена на виде сбоку система генерации мощности с использованием водных потоков согласно одному варианту изобретения.

На фиг. 2 представлена на виде спереди система генерации мощности с использованием водных потоков согласно второму варианту изобретения.

На фиг. 3 показана на виде сверху балластная труба, имеющая изолирующие камеры лабиринтного типа согласно третьему варианту изобретения.

На фиг. 4А на виде сверху представлена система генерации мощности с использованием водных потоков согласно четвертому варианту изобретения.

На фиг. 4В на виде сверху представлена модификация варианта по фиг. 4А, дополнительно снабженная якорной системой.

На фиг. 5 представлен на виде спереди пример пропеллера, пригодного для применения в подводной или в надводной системе генерации мощности.

На фиг. 6 для большей наглядности показан в перспективном изображении пропеллер в варианте по фиг. 5 с участком, выделенным для дополнительного рассмотрения.

На фиг. 7 представлен выделенный участок варианта пропеллера, представленного на фиг. 5 и 6.

На фиг. 8 представлен на виде сбоку пример системы генерации мощности с использованием водных потоков, содержащей комплект пропеллеров, установленных с возможностью смещения.

На фиг. 9 система генерации мощности с использованием водных потоков, представленная на фиг. 8, показана на виде спереди; четное количество пропеллеров облегчает компенсацию смещающих вращающих усилий в установке с возможностью смещения пропеллеров.

На фиг. 10 схематично представлен пример комплексной установки для генерации мощности с использованием водных потоков, содержащей связанные системы генерирования мощности.

На фиг. 11 схематично показана система генерации мощности, закрепленная постоянно, без применения средств обеспечения плавучести или платформы ЗРАК.

На фиг. 12 представлена на виде сбоку система генерации мощности с 4 поворотными энергетическими блоками.

На фиг. 13 система по фиг. 12 с 4 поворотными энергетическими блоками и комплектом пропеллеров показана на виде сверху.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Далее в качестве примеров будут описаны варианты систем и способов их использования, реализующих преимущества изобретения. При этом специалистам будет понятно, что часть из представленных вариантов способна работать и без некоторых деталей, рассмотренных в данном описании. В других случаях (для облегчения восприятия изобретения) не приводятся или приводятся в сокращенной форме хорошо известные сведения о подводном и генерирующем оборудовании, протоколах, структурах и технологиях.

На фиг. 1 представлен первый (приводимый в качестве примера) вариант системы 101 генерации мощности с использованием водных потоков. В этом простейшем примере система содержит одну или более труб 102 для придания плавучести, балластную трубу 103 и генераторный блок 104 индукционного типа, снабженный пропеллером 105, установленным на соответствующем валу.

На фиг. 1 показана только одна труба 102 для придания плавучести, один балластный блок 103 и

- 2 021599 один генераторный блок 104; однако возможны и более крупные системы, содержащие несколько из названных компонентов или несколько из некоторых таких компонентов. В любом случае специалистам будет несложно понять, что описание небольшой системы с конкретными элементами каждого типа приводится только как иллюстрация, не ограничивающая объем изобретения в отношении применения большего количества представленных на фиг. 1 компонентов.

В одном варианте генераторный блок 104 (например, генераторный блок индукционного типа) вырабатывает электроэнергию, которая может выводиться (после преобразования или без него) в виде переменного или постоянного тока на соответствующую передающую станцию или на другое средство, облегчающее передачу энергии от водного объекта в соответствующую электрическую сеть.

Как правило, асинхронные генераторы индукционного типа механически и электрически проще, чем другие, синхронные электрические генераторы или генераторы постоянного тока. Индукционный двигатель может быть преобразован в генератор мощности, если энергия для создания магнитного поля подается от статора или когда ротор содержит постоянные магниты, создающие магнитное поле, которое ухудшает отрицательное скольжение. Кроме того, такие генераторы обычно более прочные и надежные и, как правило, требуют меньшего количества щеток и коммутаторов. В большинстве случаев в качестве генератора используется стандартный асинхронный двигатель переменного тока без каких-либо модификаций внутренней конструкции.

При нормальной работе в режиме двигателя вращающийся магнитный поток статора, приводящий двигатель во вращение, задается частотой сети (обычно 50 или 60 Гц), причем этот поток вращается быстрее, чем ротор. В результате поток статора индуцирует токи в роторе, которые, в свою очередь, создают магнитный поток ротора, магнитная полярность которого обратна по отношению к полярности статора. В результате ротор запаздывает по отношению к потоку статора на величину, соответствующую отрицательному скольжению.

Трехфазная асинхронная индукционная машина (например, с обмоткой, использующей клетку) при вращении со скоростью, меньшей ее синхронной скорости, функционирует, как двигатель; однако, то же устройство на скорости, превышающей ее синхронную скорость, будет функционировать, как индукционный генератор.

При работе генератора первичный двигатель определенного типа (например, турбина, двигатель внутреннего сгорания, приводной вал пропеллера и т.д.) вращает ротор со скоростью, превышающей синхронную скорость. Поток статора при этом продолжает индуцировать токи в роторе, но поскольку противоположные потоки ротора пересекают обмотки статора, активный ток теперь генерируется в статорных обмотках, так что двигатель теперь функционирует как генератор, способный отдавать мощность связанной с ним электрической сети.

Таким образом, индукционные генераторы могут быть использованы для производства переменной электрической мощности, когда внутренний вал генератора вращается с частотой, превышающей синхронную частоту. В различных вариантах изобретения вращение вала осуществляется посредством ассоциированного с ним пропеллера 105, помещенного в относительно быстро движущийся водный поток. Однако аналогичный эффект может быть достигнут и другими способами и средствами вращения вала.

Одно из ограничений индукционных генераторов состоит в том, что они, не имея постоянных магнитов в роторе, не являются самовозбуждающимися. Поэтому им необходим либо внешний источник энергии (эта энергия может быть легко получена от сети посредством провода, протянутого через воду или под соответствующим участком морского дна), либо мягкий запуск с помощью стартера, работающего на пониженном напряжении и служащего для создания начального вращающего магнитного потока.

Стартеры, работающие на пониженном напряжении, могут стать важным преимуществом системы, поскольку позволяют быстро определять соответствующие операционные частоты и обеспечивают возможность повторного запуска без внешнего источника энергии в случае, когда ассоциированная сеть дезактивирована по какой-то причине, например в результате повреждения, вызванного ураганом или другой природной катастрофой.

Мощность, выработанная системой, может, по меньшей мере в некоторых случаях, использоваться для питания соседних энергетических сетей. В связи с этим именно сетевая частота будет, как правило, определять рабочую частоту системы генерации. Например, подавляющее большинство энергетических сетей в настоящее время используют номинальную частоту, лежащую между 50 и 60 Гц.

Другим важным соображением для крупной водной генерирующей системы является установление хорошо сбалансированного равновесия в плавучем состоянии, которое обеспечивает постоянное нахождение в динамическом положении независимо от скоростей течения вокруг системы.

Даже в предположении, что эти скорости течения остаются в заданном пределе, соответствующем приемлемым рабочим скоростям, равновесию системы могут все же угрожать особенно мощные ураганы или подобные явления. Однако установка системы существенно ниже линии действия типичных волновых сил, т.е. примерно на глубине 30-45 м, значительно ослабит подобные трудности. Разнонаправленные воздействия гравитационных усилий, флотационных усилий, тянущих и удерживающих усилий также будут вносить свой вклад в общую стабильность постоянно функционирующей системы генера- 3 021599 ции мощности с использованием водных потоков.

Проиллюстрированная на фиг. 1 труба 102 для придания плавучести имеет цилиндрический отрезок, механически связанный по меньшей мере с одним закрытым концевым участком (генераторным блоком) 104, в котором размещены вышеупомянутые индукционные генераторы. Генераторы и связанный с ними корпус в виде закрытого концевого участка содержат приводной вал и в некоторых вариантах связанные с ним планетарные шестерни для пропеллера 105.

В некоторых вариантах труба 102 для придания плавучести имеет кубический или шестигранный профиль, хотя более эффективными в рамках изобретения является другие геометрии. В варианте, который рассматривается как предпочтительный, труба 102 для придания плавучести является приблизительно цилиндрической, причем она заполнена газом под давлением (например, воздухом или другим газом, обеспечивающим плавучесть). Поэтому, когда система удерживается якорным канатом 106, комбинированные усилия формируют основную подъемную силу океанической системы генерирования электроэнергии.

Очевидно система может быть поднята на поверхность для обслуживания или инспекции при отключении генераторов и уменьшении, тем самым, действующих на систему усилий сопротивления, что позволит ей приподниматься в сторону поверхности. Путем открывания трубы (труб) для придания плавучести и/или откачки текучей среды из балластной трубы (балластных труб) может быть обеспечено надежное и безопасное всплытие системы на поверхность, что сделает возможным проведение обслуживания или инспекции.

Согласно способу перемещения системы удерживающий канат (трос) 106 может быть освобожден, так что плавучая конструкция может быть отбуксирована или иным образом перемещена к земле или к другой рабочей зоне.

На фиг. 2 представлен на виде спереди пример системы 201 генерации мощности, оснащенной множеством относительно крупных, медленно движущихся пропеллеров 202, 203, 206, механически связанных с валами индукционных генераторных блоков 204 и 205. Как более подробно показано на фиг. 4А, генераторные блоки расположены на закрытых концевых участках, установленных внутри труб для придания плавучести, а также на разных участках решеточной конструкции, распложенной в системе между этими трубами.

На фиг. 3 подробно иллюстрируется содержимое балластной трубы, обозначенной на фиг. 1 как 103. Видно, что изолирующие камеры лабиринтного типа соединены таким образом, чтобы обеспечить возможность использования разделения и смешивания различных газов и жидкостей с целью обеспечения более тонкого управления балансом и силами флотации, действующими в системе, чем это было бы возможно просто посредством флотационных труб 102 (труб для придания плавучести).

Как показано в проиллюстрированном варианте, внутренняя балластная система 301, сформированная внутри балластной трубы, содержит источник 302 управления воздухом, связанный по потоку с предохранительным клапаном и с первой изолирующей камерой 303.

Первая изолирующая камера 303 содержит сухой газ (например, воздух под давлением, равным давлению окружающей воды), находящийся в верхней части камеры, и жидкость (например, морскую воду в зоне, охватывающей изолирующую камеру), находящуюся в нижней части камеры.

Первая изолирующая камера 303 содержит также вспомогательную линию 305 подачи воздуха для распределения воздуха по другим заполняемым газом отсекам конструкции, а также линии для подачи смесей газа и жидкости из первой изолирующей камеры 303 во вторую изолирующую камеру 304. У второй изолирующей камеры 304 также имеются верхняя часть, содержащая воздух, и нижняя часть, содержащая воду или аналогичную жидкость, причем обе части разделены изолирующим цилиндром. В других вариантах изолирующий цилиндр содержит морскую воду, поверх которой плавает барьерная жидкость, чтобы улучшить изоляцию между воздухом и морской водой.

В других вариантах первая и/или вторая изолирующие камеры 303, 304 снабжены приборами (например, датчиками давления или дифференциального давления), чтобы определять, жидкость или воздух присутствует в той или иной конкретной полости системы. В других вариантах такие датчики встроены в схему системы управления (не изображена), служащую для создания и управления балансом и для измерений, связанных с тяговым усилием.

Процесс подачи воздуха через систему в верхние части танков (баков) при обеспечении присутствия воды или других жидкостей в нижних частях продолжается до достижения желательного баланса и обеспечения требуемых характеристик. В итоге формируется изолирующая камера 306, у которой в представленном варианте имеется выпускной воздушный клапан 309, служащий для выведения воздуха из системы и в некоторых обстоятельствах для впуска в нее воды.

Для ситуации, когда внутреннее давление становится таким высоким, что требуется сбросить давление, чтобы сохранить управляемость давлением в системе, предусмотрен предохранительный клапан (ПК) 307. В нижней части изолирующей камеры 306 имеется также клапан 308 для выведения потока воды в окружающее пространство, снабженный экраном, предотвращающим случайное попадание внутрь морских существ.

И в этом варианте, чтобы ослабить взаимодействие между воздухом и водой, могут быть примене- 4 021599 ны барьерные текучие среды 310 или подобные вещества. Когда система, заполненная средой для управления плавучестью, плавает на поверхности моря, барьерная текучая среда будет удерживаться в системе даже после удаления всей морской воды. Кроме того, более высокая стабильность может быть достигнута при использовании в танках серии заслонок, чтобы предотвратить быстрое движение внутри камер воды, присутствующей в танках, что могло бы иначе создавать помехи для баланса и управления. Кроме того, наличие нескольких танков и их разделение на части может быть использовано для решения задачи наклона путем соответствующего перемещения воды и газа.

На фиг. 4А на виде сверху представлен вариант системы 401, которая содержит первую и вторую трубы 402, 403 для придания плавучести; расположенную между ними соединительную решетчатую часть 404; множество индукционных генераторов 405, 406, расположенных в стратегических местах на указанных трубах и компонентах соединительной части; множество пропеллеров 407, механически связанных с генераторами, и множество крепящих (удерживающих) элементов 408, 409, механически связанных с трубами 402, 403 для придания плавучести.

В варианте, представленном на фиг. 4В, удерживающие элементы 408 и 409 соединены друг с другом для получения единственного якорного каната 410, прикрепленного известным образом к якорному компоненту 411.

В различных вариантах якорный канат 410 дополнительно снабжен средством, позволяющим, по желанию, удерживать и освобождать систему. В других вариантах якорный канат 410 заканчивается якорным компонентом 411, снабженным средством (не изображено) для закрепления конца каната. Якорный компонент 411 представляет собой любой известный якорь (например, обычный якорь, вакуумный якорь и т.д.), пригодный для удерживания системы в фиксированном положении в быстрых потоках, которые обычно присутствуют в зонах с каменистым морским дном, сформированным в результате эрозии быстро движущихся потоков.

В других вариантах эта часть станции может быть зафиксирована путем прикрепления якорного каната 410 к поверхности судна или другого океанского устройства для генерирования электроэнергии, или к какому-либо другому центральному фиксирующему устройству, например к плавучему динамическому бую.

Если выше варианты систем с пропеллерами рассматривались только в общем виде, на фиг. 5-7 приведено несколько конкретных (но неограничивающих) примеров пропеллерных систем, пригодных для применения с рассматриваемыми системами генерации с использованием водных потоков.

При этом специалистам в соответствующей области будет понятно, что приводимые примеры пропеллерной системы, хотя и описаны применительно к системе генерации мощности с использованием водных потоков, приводящих в действие генератор индукционного типа, могут быть применены и в других типах подводных или надводных систем генерирования мощности с получением многих из названных преимуществ.

Так, на фиг. 5 представлен на виде спереди пример пропеллера, пригодного для применения как в подводной, так и в надводной системе генерации мощности.

Как показано на фиг. 5, пропеллер 501 содержит множество чередующихся наборов пластин и охватывающих их колец. Эта конфигурация далее будет именоваться пластинчато-кольцевой. Пропеллеры с такой конфигурацией будут, как правило, разрабатываться индивидуально для каждого применения. При этом повышенная эффективность будет достигаться соответствующим подбором диаметра, длины окружности, кривизны пластин и их эксцентриситетом, подбором материала и других параметров, основываясь на операционных частотах, требуемых для индукционных генераторов, скорости окружающих водных потоков, экологических соображениях (например, на том, должны ли пропеллеры иметь отверстия или полости, сквозь которые могут проходить рыбы или другие водные организмы) и т.д.

Кроме того, смежные комплекты пропеллеров могут вращаться в противоположные стороны (например, по часовой или против часовой стрелки, как это проиллюстрировано в качестве примера на фиг. 2), чтобы создать перед пропеллерами завихрения или мертвые зоны, способные отталкивать или иным образом защищать морские организмы, повышать эффективность вращения пропеллеров и т.д.

При применении совместно с системами генерации мощности с использованием водных потоков в сочетании с генераторами индукционного типа, единственное жесткое функциональное требование к пропеллерам состоит в том, что они должны быть способны приводить во вращение связанные с ними валы генераторов со скоростями, необходимыми для получения операционных частот генераторов.

Однако крайне желательно, чтобы система в целом оставалась пассивной в отношении взаимодействия с окружающей морской жизнью, т.е. оптимальные результаты функционирования достигаются, когда система генерирует требуемую выходную мощность, сохраняя свою нейтральность по отношению к окружающей среде.

Можно видеть, что в устройстве по фиг. 5 пропеллер 501 расположен вокруг втулки или вала 502, которая (который) прочно удерживает пропеллер 501 (например, посредством механического крепления, в частности с применением инкапсулированных нержавеющих крепежных элементов, приваривания тела пропеллера или его составляющих частей к валу с образованием унитарной конструкции и т.д.) и придает валу для передачи энергии генератору крутящий момент, пропорциональный моменту вращения про- 5 021599 пеллера.

В некоторых вариантах втулка или вал 502 содержит также средство для придания плавучести, улучшающее механическое соединение пропеллера пластинчато-кольцевого типа к валу и предотвращающее перевешивание пропеллера, которое иначе могло бы деформировать вал или создать в нем напряжения. Как и крепежные средства, приводные валы, пригодные для данного применения, известны из уровня техники, причем они могут нести зубчатые колеса и/или муфты, тормозные системы и другие детали, которые могут оказаться необходимыми для эффективной передачи момента вращения от пропеллера на вал генератора.

В одном конкретном варианте крепежные детали, такие как болт и шайба, или аналогичные детали удаляют с конца приводного вала, после чего пропеллер пластинчато-кольцевого типа снимается, со скольжением, с вала, а затем производится замена крепежа, посредством которого пластинчатокольцевая конструкция снова механически закрепляется на валу. В оптимальном варианте крепеж затем закрывается плавучим водонепроницаемым чехлом, например чехлом 601, схематично показанным на фиг. 6.

В других вариантах центральная втулка содержит соединительный элемент, механически связывающий ее с главным валом, который может устанавливаться, удаляться или заменяться как единый компонент, что облегчит обслуживание и уход за пропеллером при его нахождении в воде.

В других вариантах система дополнительно содержит средства обеспечения плавучести, чтобы обеспечить преодоление груза, образуемого узлом вал-пропеллер. Например, жидкая пена или другие легкие химикаты в виде текучей среды или даже сжатый воздух могут быть загружены в носовой конус, установленный с натягом на конце втулки пропеллера. В результате пропеллер может свободно вращаться вокруг приводного вала позади плавучего носового конуса с уменьшением весовой нагрузки от данного узла, что позволяет избежать тяжелых нависающих грузов.

Аналогично, пропеллеры (особенно передние пропеллеры в погруженной системе, которая отбирает основную часть сил, заключенных в водном потоке) могут быть установлены с возможностью скольжения, чтобы преодолевать сопротивление, соответствующее кумулятивному давлению жидкости, прикладываемому к конструкции пластинчато-кольцевого типа.

Независимо от того, закреплен ли пропеллер на валу или установлен с возможностью смещения под действием потока и/или поддерживается компонентом с положительной плавучестью, представленный вариант конструкции пластинчато-кольцевого типа, по существу, похож на другие, аналогичные варианты, пригодные для практического использования в системе.

Например, в варианте, представленном на фиг. 5, узел втулки 502 концентрично окружен первым кольцевым компонентом 503, за которым (т.е. дальше от узла втулки) находится второй кольцевой компонент 506. Между первым кольцевым компонентом 503 и вторым кольцевым компонентам 506 расположено множество пластин 504, каждая из которых отделена от других зазором 505.

Расстояние между пластинчатыми элементами 504 изменяется в зависимости от применения, но, как правило, зазоры между пластинами будут увеличиваться, начиная с внутреннего кольца (для которого эти зазоры в типичном случае будут наименьшими) до наружных колец (где зазоры будут, как правило, максимальны).

Другие конфигурации допускают наличие зазоров одинаковой величины или даже больших зазоров у внутреннего кольца, чем у наружного. При этом преимущество почти сплошной кольцевой поверхности, когда практически вся поверхность кольца занята пластинами, а не зазорами, состоит в том, что такая конструкция будет стремиться отвести давление жидкости от центра конструкции за край кольца и, следовательно, за периметр устройства.

Данный подход облегчает вращение пропеллера и вполне адекватно решает экологические проблемы, поскольку отталкивает мелкие морские организмы к наружному краю системы, так что они могут полностью избежать столкновения с конструкцией пропеллера или пройти через один из медленно движущихся крупных зазоров в наружном кольце.

Поскольку сопротивление конструкции уменьшается и на приводной вал передается больший момент вращения при меньших сопротивлении и потерях, пропеллер может вращаться очень медленно (в одном варианте, который дал удовлетворительный уровень генерации в реальных условиях, пропеллер вращался со скоростью, составляющей всего только 8 об./мин). Это также гарантирует, что морские организмы смогут избежать столкновений с конструкцией, т.е. обеспечивается экологическая нейтральность и безопасность. Низкие скорости вращения, кроме того, делают систему более долговечной и надежной, а также уменьшают вероятность ее повреждения в случае контакта с различными обломками или объектом, проплывающим поблизости в подводном положении.

К конструкции последовательно добавляют концентричные кольца, образованные пластинами 507 и зазорами 508, расположенными внутри дополнительного, приблизительно круглого кольца 509. Далее из пластин и зазоров 510-512 формируются дополнительные кольца до достижения желательного размера внешней окружности. В варианте, который представляется предпочтительным, размеры зазоров 514 в наружном кольце выбраны большими, чем остальные зазоры в системе, так что они в наибольшей степени разделяют смежные пластины 513 в пределах системы.

- 6 021599

Последний кольцевой компонент 515 охватывает наружную периферию пропеллерной системы, обеспечивая дополнительную экологическую защиту, поскольку морские организмы, непреднамеренно сталкивающиеся с наружным кольцом 515, будут испытывать только скользящий удар о медленно движущуюся конструкцию, тогда как вода и гидравлическое давление будут в максимальной степени отводиться от устройства.

Как показано для обведенного прямоугольной рамкой 603 участка фиг. 6 (на которой также представлен вариант по фиг. 5, но с втулкой, закрытой водонепроницаемым колпачком 601 или подобной деталью), наклон пластин 602 относительно плоскости блока пластинчато-кольцевого типа можно изменять.

Например, пластины могут быть расположены с большей эксцентричностью, поскольку они могут смещаться внутри блока относительно первого кольца, окружающего центральную втулку, в направлении наружного кольца. Установка пластин 602 внутреннего кольца с меньшим углом наклона, а пластин внешнего кольца более эксцентрично (т.е. ближе к плоскости, перпендикулярной плоскости блока в целом) будет делать поток воды вокруг пропеллера более гладким и плоским, улучшая тем самым характеристики этого потока (что приведет к минимизации вибраций в системе). Кроме того, уменьшится сопротивление конструкции пропеллера, а также увеличится центробежное усилие окружающей воды, гарантируя, что морские организмы не попадут в центр пропеллерной системы.

С другой стороны, пропеллеры, пластины которых установлены таким образом, что пластины, ближайшие к втулке, обладают наибольшим эксцентриситетом, измеряемым по отношению к плоскости пропеллера в целом, тогда как по мере приближения к внешней кромке пропеллера они располагаются более плоско (как это типично, например, для винтов надводных судов и субмарин), способны давать наилучшие результаты в терминах общих показателей качества и ослабления вибраций и гармоник.

В пропеллере 701 по фиг. 7 (изображенная часть которого соответствует обведенному рамкой участку 603 на фиг. 6) серия криволинейных пластин 702, 704, 706, 708 расположена между зазорами 703, 705, 707, 709 увеличивающегося размера (следует отметить, что центр крепежной втулки, которая охвачена самым маленьким концентричным кольцом, расположен выше верхнего края фиг. 7, например над пластиной 702 и зазором 703).

В представленном варианте пластины 702, 704, 706, 708 также установлены с увеличивающимся эксцентриситетом по мере их удаления от втулки так, что угол наклона пластины 708 относительно плоскости блока больше, чем у пластин 702, 704, 706, находящихся ближе к центру крепежной втулки.

В варианте, представленном на фиг. 8, используется удерживаемая (поставленная на якорь) подводная система генерации мощности с использованием водных потоков, в которой узел пропеллера установлен с возможностью скользящего смещения. Это позволяет избежать помех, обусловленных передним расположением данного узла, и обеспечить повышенную стабильность и энергоэффективность системы. Можно видеть, что представленная конфигурация допускает установку с возможностью смещения одного или более пропеллеров 802, 803 как в верхнем, так и в нижнем положении. Однако возможно и расположение блоков пропеллеров как на большем, так и на меньшем числе уровней.

Из фиг. 9, где представлен на виде сзади вариант по фиг. 8, можно видеть, что данный неограничивающий вариант содержит группу из 10 пропеллеров, причем 6 пропеллеров 902 установлены, с возможностью смещения, в нижнем положении, а 4 - в верхнем положении. Эти 4 пропеллера 901 пространственно разделены, так что на каждой стороне системы генерации мощности имеется по 2 таких пропеллера.

Было обнаружено, что данный вариант обладает превосходными характеристиками в отношении генерации мощности и одновременно стабилизирует несущую конструкцию системы благодаря минимизации вибраций. Кроме того, он позволяет равномерно распределить согласованные пары пропеллеров для их вращения в противоположных направлениях.

Хотя подобные конфигурации оптимальны применительно к некоторым вариантам системы генерации мощности, может быть использовано также практически неограниченное количество других систем и конфигураций, которые могут оказаться эффективными в конкретной операционной ситуации.

Из практических соображений вся конструкция пропеллера пластинчато-кольцевого типа может, например, полностью состоять из износостойкого, покрытого или коррозионностойкого легкого металла. Однако не выходя за пределы изобретения, как для пластин, так и для колец, несомненно, можно применять и другие составы, включая металлические композиты, твердые углеродные композиты, керамику и т.д.

Как показано на фиг. 10, при необходимости использовать в какой-то зоне большое количество генерирующих конструкций, для повышения ее эффективности система генерации мощности может быть консолидирована с применением передающих линий и линий связи, идущих к центральному объекту, такому как управляющая подстанция, размещенная вблизи установленных энергетических модулей. Такая консолидация модулей может иметь место либо на океанском дне, либо на сооружении, плавающем на поверхности или вблизи поверхности воды.

Управляющая подстанция может быть установлена на плавучем основании типа платформы 8РЛК. Альтернативно, она может быть подводной управляющей подстанцией, например, использующей систему буев и способной подниматься на поверхность (для удобства обслуживания) или быть закрепленной

- 7 021599 на морском дне.

При большой глубине, например на океанском дне, подобное устройство для объединения мощности потребует большого количества энергетических кабелей и дополнительных систем управления, что будет повышать сложность и стоимость системы. Кроме того, ее будет сложнее обслуживать, чем при расположении ближе к течениям вблизи поверхности океана.

Плавучие конструкции, находящиеся на средней глубине и использующие элементы, сходные с применяемыми на плавучих платформах, используемых в сочетании с генерирующими блоками, также могут служить для построения устройства для объединения мощности при отсутствии каких-либо конструкций, выступающих из поверхности воды. Кроме того, такая конфигурация потребует меньше длинных энергетических кабелей и линий связи, проложенных по океанскому дну, а также оставит достаточно пространства для движения судов в соответствующем районе.

Третий тип устройства для объединения мощности содержит конструкцию, которая прикреплена к дну океана и плавает на поверхности океана вблизи генерирующих модулей. Такой подход охватывает конструкции многих известных типов, однако, платформа δΡΑΚ (показанная на фиг. 10) благодаря своему профилю, создающему малое сопротивление ветру и волнам, обладала бы наилучшими характеристиками в отношении простоты конструкции и стабильности в случае плохих погодных условий, включая ураганы.

Устройство для объединения мощности осуществляет преобразование к подлежащему передаче более высокому напряжению, обеспечивая тем самым более высокие и настраиваемые параметры передачи мощности, согласованные с наземными сетями распределения энергии. Возможность повышения передаваемого напряжения, кроме того, позволяет размещать подобные пункты на большем расстоянии от земли при высоких результатах такой передачи. Конечное преобразование напряжения может производиться либо в устройстве для объединения мощности, либо посредством одного или более трансформаторов, установленных на опорном башмаке на океанском дне.

В зависимости от других переменных может возникнуть потребность в наземных синхронных устройствах (например, в крупном синхронном двигателе или в крупном электронном приводе с регулируемой скоростью), служащих для стабилизации электросети, когда масштабы генерации мощности в оффшорном режиме существенно превышают возможности наземной сети.

В случае значительного удаления установки от берега возможно использование высоковольтной линии постоянного тока, протянутой от центральной конструкции до берега. Переменное напряжение, которое требуется для индивидуальных генерирующих блоков, может быть получено преобразованием постоянного напряжения в трехфазное переменное напряжение, чтобы запитать индукционные генераторы. На берегу (или около берега, или даже на расстоянии от берега) постоянное напряжение подводится к соответствующей сети, например к типичной сети постоянного тока, служащей для передачи энергии.

Как показано на фиг. 11, на больших океанских глубинах нет необходимости снабжать платформу δΡΑΚ какими-либо средствами поддержания плавучести. Поэтому такая платформа может служить центральной площадкой, полезной для подсоединения и рассоединения (при соответствующем масштабировании) множества индивидуальных генераторных блоков. Как показано, подводная платформа δΡΑΚ, находящаяся на глубине 65-170 м (200-500 футов), может быть постоянно прикреплена к океанскому дну с помощью прочных, надежных средств якорения, таких как толстые многожильные канаты (тросы).

Отдельный энергетический кабель протянут от платформы δΡΑΚ к трансформатору или к промежуточной коробке, установленной на морском дне, после чего он проходит под морским дном к конечному пункту назначения.

Другой подход состоит в протягивании энергетического кабеля через внутреннюю полость многожильного каната или иной якорной линии. В этом случае от платформы δΡΑΚ отходит только одна линия, причем энергетический кабель защищен от повреждений якорной линией.

Далее будет рассмотрена более мощная генерирующая система индукционного типа на базе единственной станции (например, в варианте, использующем пропеллеры диаметром 12 м и более). На фиг. 12 на виде сбоку представлена система генерации мощности с 4 поворотными энергетическими блоками, в которой имеется множество обращенных вперед индукционных генераторов, установленных на раму, образованную плитами с положительной плавучестью, снабженными соединительными компонентами.

По меньшей мере 4 пропеллера с диаметром 12 м или более (в зависимости от течения) вместе с ассоциированными с ними генераторными блоками механически связаны с вращающимся валом или аналогичным компонентом, так что они могут приводиться во вращение либо механически, либо используя логическую систему управления, связанную с пневматической или гидравлической системой управления, чтобы функционировать, по существу, как верхняя и нижняя горизонтальные осевые турбины. При этом, используя балластную систему, конструкцию можно заставить всплыть на поверхность для получения безопасного и эффективного доступа к каркасам генераторов для их обслуживания и ремонта.

На фиг. 13 та же конструкция представлена на виде сверху, чтобы проиллюстрировать возможности расширения системы до 6 или 8 пропеллеров или даже до еще большего их количества.

Хотя изобретение имеет и другие аспекты, поскольку системы, ассоциированные с подводным генерированием энергии, обычно содержат различные периферийные устройства (например, вспомога- 8 021599 тельные источники питания, оптоволоконные системы управления и связи, дежурные транспортные средства с дистанционным управлением, используемые для обслуживания генерирующей станции, и т.д.), используемые при развертывании, позиционировании, управлении и функционировании системы, представляется, что описывать все подобные компоненты нет необходимости, поскольку выполнение соответствующих систем и подсистем хорошо известно специалистам в соответствующей области техники.

Хотя изобретение было подробно описано на примерах нескольких вариантов его осуществления, специалистам будет понятно, что, не выходя за границы изобретения, в описанные компоненты могут вноситься изменения; возможны и другие модификации, а также исключение или введение дополнительных компонентов.

Claims (8)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Комплекс для генерирования мощности, содержащий множество систем генерирования мощности с использованием водных потоков, устройство для объединения мощности, генерируемой указанным множеством систем, и одно или более трансформаторных устройств, установленных на опорном башмаке на морском дне, причем каждая из указанных систем генерирования мощности содержит одну или более подводных камер для придания плавучести; один или более подводных генераторных блоков индукционного типа, связанных с указанными камерами для придания плавучести; один или более пропеллеров, связанных с указанными генераторными блоками; якорную систему и средства выведения сгенерированной мощности, при этом указанное устройство для объединения мощности дополнительно содержит средства для приема мощности, сгенерированной системами генерирования мощности и передаваемой устройству для объединения мощности средствами выведения сгенерированной мощности, и средства для передачи мощности, полученной от указанных систем генерирования мощности, на одно или более трансформаторных устройств, установленных на морском дне.
2. 2. Комплекс по п.1, в котором устройство для объединения мощности дополнительно содержит одну или более подводных камер для придания плавучести, причем одна или более из указанных камер содержит одну или более изолированных камер для текучей среды с положительной плавучестью, а одна или более из изолированных камер содержит помещенную в нее указанную текучую среду, впускной и выпускной клапаны для указанной текучей среды и средство управления источником указанной текучей среды.
3. 3. Комплекс по п.1, в котором устройство для объединения мощности выполнено плавающим по поверхности воды вблизи подводных систем генерирования мощности с использованием водных потоков.
4. 4. Комплекс по п.3, в котором устройство для объединения мощности выполнено в виде стабильной платформы с большой осадкой.
5. 5. Комплекс по п.4, в котором устройство для объединения мощности прикреплено с использованием многожильного каната, имеющего два слоя, один из которых навит в направлении по часовой стрелке, а другой - в направлении против часовой стрелки.
6. 6. Комплекс по п.1, дополнительно содержащий средство для передачи накопленной мощности, полученной от указанных систем генерирования мощности, в энергетическую сеть.
7. 7. Комплекс по п.1, в котором одно или более трансформаторных устройств выполнено с возможностью преобразования переданной на него мощности в мощность более высокого напряжения для дальнейшей передачи.
8. 8. Комплекс по п.1, в котором одно или более трансформаторных устройств выполнено с возможностью преобразования переданной на него мощности в мощность меньшего напряжения для дальнейшей передачи.