HRP20110152A2 - Kombinirani brodski pogon s energijom vjetra i sunca - Google Patents

Abstract

Uspješni i perspektivni brodski pogoni traže jeftinu, čistu i obnovljivu energiju. Takvu energiju i to iz dva obnovljiva izvora: sunca i vjetra mogu osigurati solarne ćelije (8), vjetroturbina (7) u kombiniranoj sapnici, zakretne brodske izvedbe na zajedničkoj konstrukciji ugrađenoj na širokoj palubi brzog i ekonomičnog trimarana. Kombinirana sapnica je sastavljena od aerodinamički profiliranog kratkog plašta (5) grla sapnice i donje ravne, kose kolektorske plohe (4), koja sakuplja zračnu masu.Na tu donju kosinu ugrađuju se još i nosive plohe za solarne ćelije (8) sa zakretnim mehanizmom po vertikali (9) radi optimalnog nagiba u svakom godišnjem dobu.Povećanje snage na turbini u sapnici raste po trećoj potenciji dvostruko povišene brzine na rotoru. Zakretne nosive plohe solarnih ćelija služe još i za regulaciju snage turbine, kod jakih vjetrova.Horizontalno zakretni mehanizam uz pomoć posebnog računala služi za optimalnu orijentaciju turbine prema vjetru i dnevnu prema suncu za solarne ćelije (3).Radi sigurnijeg, trajnijeg i jeftinijeg pogona na brodu su dodatno predviđeni: postrojenje elektrolize (10), kompresor (11), spremnik vodika (12) i goriva vodikova ćelija (13) uz standardne elektromotore (14) i propelere (15), te jarboli (16), mehanizmi (17) i jedra (18).

Description

Područje na koje se izum odnosi

Većina brodova koji plove morima i oceanima trebaju za svoj uspješan pogon jeftinu, čistu i po mogućnosti obnovljivu energiju. Takvu vrst energije i to obnovljivu iz dva izvora (sunce i vjetar) mogu osigurati solarne ćelije i vjetroturbina ugrađene na zajedničku konstrukciju kombinirane zakretne sapnice.

Ova nova tehnika pripada području vjetroturbina ili vjetrogeneratora, odnosno tehnici korištenja energije vjetra i spada u grupu: F03D 1/00

Pogonski mehanizam na vjetar s osi rotacije uglavnom u pravcu vjetra» prema međunarodnoj klasifikaciji patenata, jer je osnovna konstrukcija građena za pretvorbu energije vjetra a solarne ćelije i jedra su energetski korisna i ekonomična dopuna.

Tehnički problem

Pogon brodova sa jedrima iako je bio čist i jeftin, nije bio siguran i trajan. Zato su pomorci rado prihvatili pogon na paru, diesel motor i plinsku turbinu. Međutim, ti pogonski sustavi su relativno skupi, a u budućnosti će biti i skuplji. Osim toga, to su krupni, tj. značajni zagađivači.

Danas se od mjerodavnih međunarodnih institucija izričito traži da se, radi općeg dobra, emisije štetnih plinova smanje na kopnu i moru. Za neposluh slijede oštre kazne.

Rješenje za sve ove probleme nudi novo energetsko brodsko postrojenje, sa jedrima, te solarnim ćelijama i vjetroturbinom u kombiniranoj sapnici na zajedničkoj konstrukciji, uz odgovarajuću rezervu za siguran pogon sa vodikovom gorivnom ćelijom, za ono vrijeme kada nema sunca ni vjetra.

Stanje tehnike

Energiju vjetra svijet već dugo koristi za pogon brodova, mlinova, pumpi ili generatora. Od tih generatorskih uređaja najpoznatiji i najkorišteniji je propelerski sa dvije, tri ili više lopatica postavljen horizontalno na vrhu stupa sa mogućnošću okretanja u pravcu djelovanja vjetra. Međutim svi ti uređaji rade u slobodnoj struji vjetra. Vjetroturbina, koja bi bila ugrađena u regulirajuću sapnicu kombiniranog aerodinamičkog rotacionog plašta i dopunske kolektorske plohe uz solarne ćelije na zajedničkoj konstrukciji još nije realizirana.

Izlaganje suštine izuma

Kroz pojačanu brodsku strukturu ugrađen je nosivi cjevasti stup, na koji se postavlja aksijalno-radijalni ležaj. Taj ležaj je nosač čitave okretne konstrukcije, koja to radi pomoću elektromotornog zakretnog mehanizma. Ova konstrukcija ima dvostruki pogonski značaj tj. proizvodnju električne energije iz dva čista i obnovljiva izvora : vjetra i sunca. Dobivanje električne struje iz vjetra ostvaruje se pomoću vjetroturbine ugrađene u grlo kombinirane sapnice. Takva vjetroturbina može dati 3 do 4 puta (300% do 400%) više elektroenergije nego standardna, bez sapnice.

Veća snaga na turbini potječe od povišene brzine vjetra u grlu sapnice prema formuli:

Pel = 0,193 · vs³ · 10ˉ³ (kW / m²)

Ovo je izraz za specifičnu netto snagu (na kolektoru generatora) po jedinici (m²) radne površine rotora.

Prema jednadžbi kontinuiteta, brzina vjetra u grlu sapnice je dvostruko veća nego u okolini :

vs = 2 · vo (m/s) , gdje je vo = brzina vjetra u okolišu.

Dakle teoretska specifična snaga za vjetroturbinu u sapnici iznosi :

Pel,sap = 0,193 · (2 ·vo)³ · 10ˉ³

Pel,sap = 0,193 · 2³ ·vo³ · 10ˉ³

Pel,sap = 8 · 0,193 ·vo³ · 10ˉ³ (kW / m²)

Praktički, radi većih brzina biti će povećani i gubici, pa će neto snaga na turbini u sapnici iznositi samo 3 do 4 puta više nego kod današnjih vjetroturbina bez sapnice.

Kombinirana sapnica je sastavljena od dva glavna dijela, i to : od aerodinamički profiliranog kratkog grla plašta, koji je izveden u segmentima. Unutarnja ploha toga plašta djeluje kao podtlačna strana avioprofila što zbog podtlaka inducira veliki porast radijalne a time i rezultirajuće ukupne brzine u grlu sapnice.

Drugi, prednji dio kombiniranog plašta izrađen od jeftinih ravnih ploha ima ulogu sakupljača zračne mase iz donje zone i lagano povećanje brzine tom vjetru.

Povećanje brzine vjetra u grlu sapnice vs = 2 · vo, daje mogućnost takvoj vjetroturbini da radi znatno duže. Razlog tome je što vjetroturbine slabo rade na brzinama nižim od 5 m/s, a sapnica i njih diže u više radne brzine što produžava vrijeme pogona za 30 do 50%, jer su slabi vjetrovi češći i duže traju. A umnožak veće snage i dužeg vremena u radu, daje 3 do 4 puta više elektroenergije.

Vjetroturbina u kombiniranoj sapnici prikladna je za izradu postrojenja malih, srednjih i velikih snaga.

Donje ravne, ali kose kolektorske plohe kombiniranog plašta ne služe samo koncentraciji zračne mase vjetra, već i kao nosači za ugradnju solarnih fotovoltaičnih panela ili ćelija, što omogućuje, na istom postrojenju, uspješnu i jeftinu proizvodnju električne energije iz dva čista i obnovljiva izvora : vjetra i sunca. Ovo postrojenje bilo bi vrlo ekonomično ne samo zbog dvostruke proizvodnje elektroenergije (vjetar + sunce, te niži specifični pogonski troškovi) već iz činjenice, da bi se isti skupi zakretni mehanizam i konstrukcija donjeg dijela kombinirane sapnice uz specijalni računski program koristio i za optimalnu dnevnu orijentaciju solarnih ćelija, što bi osiguralo veliku uštedu u investicijama i održavanju.

Snaga ugrađenih solarnih fotovoltaičnih ćelija za određenu veličinu, jednaka je približno snazi vjetroturbine ugrađene u kombiniranu sapnicu. U slučaju, da se mogu koristiti oba obnovljiva izvora, sunce i vjetar, računalo će analizirati i odrediti koji je pogon povoljniji (ili čak oba, što će biti vrlo rijetko).

Konstrukcija, zakretni mehanizam i nosive ploče solarnih fotovoltaičnih panela imaju jednu sekundarnu ali važnu funkciju u pogonu vjetroturbine. Te ploče i paneli zavisno o godišnjem dobu imaju određeni kut nagiba prema horizontali, koji varira od :

ljeti ≈ 20° (povoljno za strujanje vjetra prema turbini)

jesen / proljeće ≈ 45° (nepovoljno za strujanje zraka)

zima ≈ 70° (blokira struju vjetra prema turbini)

Za optimalan rad paneli se moraju zakretati od 20° do 70° i natrag, plus dnevno zakretanje od istoka, preko juga do zapada. Ovo sezonsko zakretanje vrlo je korisno za regulaciju snage vjetroturbine kod jačih vjetrova. I to pomoću zakreta panela u zimski režim, pod kutom od 70°, kada se zračna masa vjetra usmjerava u neaktivni prolaz iznad sapnice.

DOPUNSKA POSTROJENJA:

Vodik

Postrojenje elektrolize za proizvodnju vodika iz struje od vjetra i sunca kada brod miruje, te kompresor koji tlači taj vodik u spremnik, a zatim vodikova gorivna ćelija koja proizvodi električnu energiju za pogon broda iz rezervi u spremniku, kada nema vjetra, ni sunca.

Vjetar

Jedra su u razvoju pomorstva, a i čitavog čovječanstva odigrala značajnu ulogu. Pomoću drvenog jarbola, jedra od platna ostvaruju na brodu odgovarajuću pogonsku silu poriva vjetra zavisno od njegova smjera i jačine. Kod našeg kombiniranog brodskog pogona predviđena su moderna aerodinamički profilirana jedra sa mehaniziranom opremom za centralno automatsko rukovanje. Porivna sila na jedrima optimalna je kada vjetar djeluje na brod sa bokova. Kod naše vjetroturbine, sa krmenim vjetrom, u grlu kombinirane sapnice naglo raste brzina strujanja zraka, koja se iza rotora turbine usmjerava na brodska pramčana jedra, čime se dobiva značajno povećanje dopunske sile poriva samog broda.

Popis pozivnih oznaka

1 (sl. 1) Nosivi stup, cjevaste izvedbe. Materijal za stup čelik.

2 (sl. 1) Pojačani aksijalno-radijalni nosivi ležaj sa velikim zupčanikom za djelovanje zakretnog mehanizma u horizontali.

3 (sl. 1) Elektromotorni zakretni mehanizam za optimalnu orijentaciju kombinirane sapnice prema vjetru ili suncu, tzv. dnevni optimalni položaji.

4 (sl. 1 i 2) Prednji, donji, kosi kolektorski plašt u sedam segmenata od ravnih profiliranih ploha od plastike spojenih na kratki aerodinamički plašt grla sapnice, što sve skupa predstavlja kombiniranu sapnicu.

5 (sl. 1 i 2) Kratki plašt grla sapnice – unutarnja strana aerodinamički podtlačni profil a ukrućenja sa vanjske strane, te sve skupa sastavljeno od 12 kružnih segmenata.

6 (sl. 1 i 2) Profilirani nosači vjetroturbine.

7 (sl. 1 i 2) Vjetroturbina komplet (rotor, generator itd.) u grlu kombinirane sapnice.

8 (sl. 1 i 2) Fotovoltaične solarne ćelije za proizvodnju električne energije, na istoj konstrukciji zakretne vjetroturbine u kombiniranoj sapnici.

9 (sl. 1) Zakretni elektromotorni mehanizam po vertikali za nagib nosivih ploča sa solarnim ćelijama prema godišnjim dobima i regulaciju snage vjetroturbine kod jakih vjetrova.

10 (sl. 1) Postrojenje elektrolize za proizvodnju vodika iz viškova elektroenergije od sunca i vjetra.

11 (sl. 1) Kompresor, koji tlači taj vodik pod višim pritiskom u spremnik.

12 (sl. 1) Specijalni spremnik za skladištenje vodika pod tlakom. Njegov kapacitet kao i čitavog ovog postrojenja, zavisi od veličine broda i njegove namjene.

13 (sl. 1) Vodikova gorivna ćelija, koja proizvodi električnu energiju za pogon broda iz rezervi vodika, te višak topline za sekundarne potrebe.

14 (sl. 1) Pogonski elektromotor za plovidbu broda: On prima električnu struju od solarnih ćelija i vjetroturbine, te iz vodikove gorivne ćelije, kao rezerve za ono vrijeme kad nema sunca ni vjetra.

15 (sl. 1) Propeleri za pogon broda.

16 (sl. 1) Jarboli za jedra.

17 (sl. 1) Mehanizmi centralnog automatskog rukovanja jedrima.

18 (sl. 1) Moderna aerodinamički profilirana jedra, za dopunsku porivnu silu vjetra.

Kratak opis crteža

Slika 1 prikazuje uzdužni presjek vjetroturbine u kombiniranoj sapnici zakretne izvedbe sa ugrađenim solarnim ćelijama. Na toj slici prikazana je suština izuma a na njoj su označene slijedeće pozivne oznake;

1. Nosivi čelični stup, cjevaste izvedbe.

2. Pojačani aksijalno-radijalni nosivi ležaj sa velikim zupčanikom.

3. Elektromotorni zakretni mehanizam za optimalnu horizontalnu orijentaciju kombinirane sapnice prema vjetru i suncu.

4. Prednji donji kolektorski plašt sapnice.

5. Kratki aerodinamički plašt grla kombinirane sapnice od 12 segmenata.

6. Profilirani nosači vjetroturbine.

7. Vjetroturbina komplet (rotor, generator itd.)

8. Fotovoltaične solarne ćelije proizvođači električne energije, na istoj konstrukciji zakretne vjetroturbine u kombiniranoj sapnici.

9. Zakretni elektromotorni mehanizam po vertikali za nagib nosivih ploča sa solarnim ćelijama i regulaciju snage vjetroturbine kod jakih vjetrova.

Dodatni brodski uređaji radi sigurnijeg, trajnijeg i ekonomičnijeg pogona su;

10. Postrojenje elektrolize za proizvodnju vodika iz viškova elektroenergije od sunca i vjetra, kada je brod usidren ili privezan u luci.

11. Kompresor, koji tlači vodik iz elektrolize u spremnik.

12. Specijalni spremnik za skladištenje vodika pod tlakom.

13. Vodikova gorivna ćelija, koja kada nema sunca ili vjetra proizvodi električnu energiju za pogon broda iz stlačenih rezervi u spremniku.

14. Standardni elektromotori za pogon brodskih propelera.

15. Normalni brodski propeleri.

16. Jarboli za jedra, kao dopunsku porivnu silu kod povoljnih vjetrova sa krme ili bokova.

17. Mehanizmi automatskog centraliziranog rukovanja jedrima.

18. Moderna aerodinamički profilirana jedra.

Na slici 1 prikazana je vjetroturbina u kombiniranoj sapnici sa solarnim ćelijama (pozivne oznake od 1 do 9) ugrađena na palubu katamarana, ili trimarana.

U krmenom dijelu ugrađeno je rezervno postrojenje sa vodikovom gorivnom ćelijom radi sigurnijeg i trajnijeg pogona (pozivne oznake od 10 do 15),te jedra (16 do 18).

Zbog bolje preglednosti postrojenja na slici je prikazan samo dio broda.

Slika 2

Slika 2 pokazuje pogled na čelo vjetroturbine u kombiniranoj sapnici zakretne izvedbe sa solarnim ćelijama a sve to montirano na nadgrađu trimarana. Radi bolje preglednosti u plovidbi komandni most je proširen na obje strane. Crtkano je označen donji dio kombinirane sapnice ako na kursu broda energija vjetra ili sunca dolazi sa boka. Konstrukcija trimarana sa širinom svoje palube omogućuje kvalitetnu i sigurnu ugradnju postrojenja, te veliki stabilitet u plovidbi.

Slika 3

Slika 3 daje pogled na tlocrt vjetroturbine u kombiniranoj sapnici zakretne izvedbe sa solarnim ćelijama a sve to na zajedničkoj konstrukciji ugrađeno na palubu trimarana. Sapnica je okrenuta prema krmi otkud dolazi vjetar. Dignuto je 5 jedara u «položaj» vjetar s krme. Šesti, centralni na krmi, nije podignut da ne smeta rad vjetroturbine.

Slika 4

Slika 4 pokazuje bočni pogled na brod sa ugrađenom vjetroturbinom u kombiniranoj sapnici, te solarnim ćelijama na zajedničkoj konstrukciji. Na toj slici prikazan je sustav regulacije snage vjetroturbine kod jakih vjetrova, u čemu pomažu nosive ploče solarnih ćelija i njihova konstrukcija, sa zakretnim mehanizmom po vertikali. Kod slabijih i srednjih, odnosno standardnih vjetrova te nosive ploče pomoću posebnog mehanizma nagnute su pod kutom od 20°, što omogućava povoljno strujanje vjetra prema turbini. Kada jačina vjetra prelazi određenu vrijednost, posebno u grlu sapnice, tada regulacioni mehanizmi automatski pomoću računala postavljaju nosive ploče (i solarne ćelije) pod kutom od 70°, uslijed čega se strujanje vjetra usmjerava neaktivno tj. iznad rotora turbine. Zakretanje tih ploča počinje od prve na vrhu i one se zatvaraju jedna za drugom zavisno od porasta brzine vjetra, postepeno. U slučaju da vjetar oslabi tj. da mu brzina opada, tada će mehanizam regulacije automatski postavljati spomenute ploče u položaj pod kutom od 20°, radi nesmetanog strujanja zraka, i osiguranja odgovarajuće snage turbine.

Slika 5

Slika 5 daje bočni pogled na brod sa ugrađenim jarbolima i jedrima. Tri jarbola su (svaki na svom trupu) na pramcu a tri na krmi trimarana. Na svakom jarbolu je komplet odgovarajućih jedara i mehanizama za automatsko centralizirano rukovanje. U slučaju da vjetar dolazi s pramca, jedra se ne dižu, a za pogon broda radi vjetroturbina u sapnici.

Opis ostvarenja izuma

Preporuča se izrada prototipa manje snage, radi nižih troškova i uvjeta za ispitivanje. Prema priloženim crtežima uz odgovarajuće proračune treba izraditi radioničku dokumentaciju, a po njoj kombiniranu sapnicu te sve ugraditi na nosivi stup a zatim na brod. Nakon toga ugraditi vjetroturbinu i solarne ćelije. Poslije toga slijedi ispitivanje na vezu u luci, a zatim na otvorenom moru u različitim vremenskim i pogonskim uvjetima.

Način primjene izuma

Vjetroturbina u kombiniranoj sapnici sa dodanim solarnim ćelijama je novo elektroenergetsko postrojenje za proizvodnju 3 do 4 puta više elektroenergije (nego postojeće bez sapnice) i to iz dva obnovljiva izvora. Postrojenje može biti izrađeno za male, srednje i velike snage, od 5 kW do 5 MW. Iako se ovo postrojenje može uspješno ugraditi i na kopnu, zbog odgovarajuće antikorozijske zaštite namijenjeno je prvenstveno za ugradnju na brodove male, srednje i velike i to tipa: katamaran ili trimaran. Brod sa ovakvim pogonom može ploviti u svim smjerovima, osim manje razlike u brzinama (uz vjetar i niz vjetar). Za veću sigurnost i brzinu u plovidbi brod pored pomoćnog dieselgeneratora za rasvjetu (pogon biodiesel), treba da ima još: postrojenje elektrolize, kompresor i spremnik za vodik, te gorivnu vodikovu ćeliju.

Svrha ovog postrojenja je slijedeća : kada brod ima višak energije, tj. ne vozi, usidren ili vezan u luci a ima sunca i vjetra, tada taj višak elektroenergije ide u elektrolizu gdje proizvodi vodik, koji se kompresorom sabija u spremnik i čuva za ono vrijeme, kada neće biti vjetra, ni sunca. Tada će vodik iz spremnika u gorivnoj ćeliji vodika proizvoditi dovoljnu količinu elektroenergije i topline.

Za primjenu novog pogonskog sustava najprikladniji su brodovi tipa katamaran ili trimaran, jer imaju veliki stabilitet u plovidbi. Tim brodovima pored dobrog stabiliteta i brzine pridaje se sve veći značaj naročito zbog velike površine palube, što je važno za putničke i kontejnerske brodove, te trajekte i oceanske ribarice.

Nadgrađe na trimaranu ima veliki značaj, jer povezuje tri trupa u jednu cjelinu. A na tom prostoru naročito su značajne pozicije kormilarnice i ostalih upravljačkih kabina, što je vidljivo iz priloženih slika.

Claims (5)

1. Kombinirani brodski pogon s energijom vjetra i sunca, naznačen time što na svojoj konstrukciji sapnice (1), (2),(3), (4), (5) i (6) ima ugrađen komplet vjetrogeneratora (7) za proizvodnju elektroenergije s time, daje on postavljen horizontalno u grlo te kombinirane sapnice.

2. Kombinirani brodski pogon, prema zahtjevu 1, naznačen time, da na plohama svog donjeg kolektorskog plašta ima ugrađene nosive plohe za montažu fotovoltaičnih solarnih ćelija (8) sa nagibom prema godišnjem dobu u svrhu maksimalne proizvodnje električne energije a optimalna dnevna orijentacija prema suncu izvodi se pomoću ugrađenog motornog mehanizma (3) i računala, sa istim uređajima koji su ugrađeni za okretanje kombinirane sapnice prema vjetru, uz posebni program za solarne sustave.

3. Kombinirani brodski pogon, prema zahtjevu 1, naznačen time, da na donjem dijelu kolektorskog plašta ima ugrađene solarne ćelije na konstrukciji nosivih ploha sa elektromotornim mehanizmom (8) i (9), čijim se zakretom po vertikali regulira protok zraka na rotoru, odnosno brzina strujanja vjetra u grlu sapnice a time i snaga turbine kod jakih vjetrova.

4. Kombinirani brodski pogon, prema zahtjevu 1, naznačen time da višak proizvedene elektroenergije za vrijeme mirovanja broda prednje postrojenju elektrolize (10) za proizvodnju vodika, a zatim se preko kompresora (11) on tlači u spremnik (12), odakle ga koristi gorivna vodikova ćelija (13) za proizvodnju struje i pogon broda, preko elektromotora (14) i propelera (15), kada nema sunca, ni vjetra.

5. Kombinirani brodski pogon, prema zahtjevu 1, naznačen time da sa krmenim vjetrom u grlu sapnice raste brzina strujanja zraka, koji se iza rotora turbine usmjerava na brodska pramčana jedra (18 ) čime se dobiva značajna dopunsku sila poriva.