ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к ветроэнергетическим установкам, главным назначение которых является выработка электрической энергии.

Известны ветроэнергетические установки с пневматическими аккумулирующими устройствами [1, 2] где энергия ветродвигателя посредством компрессоров преобразуется в энергию сжатого газа, который закачивают в пневмоаккумуляторы (рессиверы), при необходимости сжатый газ посредством пневмодвигателя или турбины приводит в действие электрогенератор.

Известны также ветроэнергетические установки, в одном из которых [3] ветродвигатель посредством электрогенератора приводит в действие гидронасос, который, в свою очередь, работает на накопитель электроэнергии (аккумулирующее устройство); в другом варианте [4] расположенный на валу ветродвигателя гидронасос приводит в действие гидромотор, а через него электрогенератор.

Недостатком известных ветроэнергетических установок является низкий коэффициент полезного действия и повышение габариты и масса, а в установках [1, 2] кроме этого, повышенная опасность устройства и процесса преобразования энергии, б [3, 4] ограниченная энергоемкость аккумулирующего устройства.

Наиболее близким объектом того же назначения к заявляемому объекту по совокупности признаков является ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель и устройство для преобразования и аккумулирования энергии, включающее гидронасос, пневмогидравлические аккумуляторы, гидромотор- и мотор-электрогенератор [5] принята за прототип.

К причинам, препятствующими достижению требуемого технического результата при использовании известного объекта, принятого за прототип, относится то, известный объект имеет недостаточный коэффициент полезного действия и ограниченную энергоемкость аккумулирующего устройства, где пневмогидроаккумуляторы несут по существу функции дополнительных демпфирующих устройств в гидросистеме и не приспособлены для удержания запасенной энергии гидравлическая энергия пневмогидроаккумуляторов может несанкционированно приводить в действие не только гидромотор, но и гидронасос (между ними нет устройств, препятствующих этому); при срабатывании пневмогидроаккумуляторов давление в них снижается, что приводит к нестабильной работе гидромотора и кинематически связанного с ним мотор-электрогенератора, этому способствует и отсутствие связи между газовыми полостями пневмогидроаккумуляторов. К снижению эффективности и коэффициента полезного действия приводит и то, что ветродвигатель не снабжен электрогенератором, который смог бы вырабатывать электроэнергию напрямую, минуя устройство для преобразования и аккумулирования энергии.

Целью предлагаемого технического решения является повышение коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки путем повышения энергоемкости аккумулирующего устройства.

Технический результат снижение удельной материалоемкости и повышение надежности работы устройства для аккумулирования энергии, превращение установки в реальный источник электроэнергии.

Указанный технический результат достигается тем, что ветроэнергетическая установка дополнительно снабжена электрогенератором, кинематически связанным с ветродвигателем, и электродвигателем, образующим с гидронасосом электронасосный агрегат, а устройство аккумулирования энергии выполнено в виде блока пневмогидравлических аккумуляторов, газовые полости которых соединены между собой общим трубопроводом, а сообщающиеся между собой идравлические полости пневмоаккумуляторов посредством обратного клапана соединены с гидронасосом и посредством запорного устройства и преобразователя гидравлического давления с гидромотором, при этом давление предварительной зарядки пневмогидроаккумуляторов сжатым газом равно давлению настройки преобразователя гидравлического давления, величина которого в 2,36-2,43 раза меньше давления полной зарядки аккумуляторов рабочей жидкостью.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Предложенный прототип позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения. Результаты проверки показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, в частности, заявленным изобретение не предусматриваются известные преобразования.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень" по действующему законодательству.

На чертежах представлен заявленный объект, где на фиг. 1 изображена блок-схема ветроэнергетической установки; на фиг.2 фрагмент блок-схемы варианта исполнения ветроэнергетической установки.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения заключаются в следующем.

Ветроэнергетическая установка включает в себя (фиг.1) ветродвигателя 1 и кинематически связанный с ним дополнительный электрогенератор 2, который соответствующими линиями с выключателями 3, 4 и 5 связан с дополнительным электродвигателем 6 и электрогенератором 7. Параметры электрического тока, на которых работают генераторы 2 и 7 и двигатель 6, одинаковы. Генераторы 2 и 7 известным образом соединены также с промышленной электросетью 8. Генераторы 2 и 7 могут быть унифицированы между собой. На выходе из генератора 7 установлен синхроноскоп 9.

Электродвигатель 6 кинематически связан с гидронасосом 10, образуя с ним электронасосный агрегат, а электрогенератор 7 соединен с гидромотором 11. В состав ветроэнергетической установки входит блок пневмогидравлических аккумуляторов 12. Каждый из пневмогидроаккумуляторов блока 12 имеет газовую "а" и гидравлическую "б" полости. Для зарядки пневмогидроаккумуляторов их газовых полостей сжатым газом предусмотрены зарядное устройство 13 и соответствующая контрольно-измерительная аппаратура. Газовые полости "а" всех пневмогидроаккумуляторов блока 12 общим трубопроводом 14 соединены между собой и с зарядным устройством 13. Гидравлические полости "б " аккумуляторов общим трубопроводом 15 также соединены между собой. В свою очередь трубопровод 15 посредством обратного клапана 16 соединен с гидронасосом 10 и посредством запорного устройства18, например, дистанционно управляемого шарового крана, и преобразователя (регулятора) гидравлического давления 17 с гидромотором 11; в преобразователь давления 17 может быть встроен дроссель. Обведенную штрихпунктирными линиями систему можно рассматривать как устройство для преобразования и аккумулирования энергии, в состав которого входят также баки 19 для рабочей жидкости, гидравлический фильтр 20 на входе в насос 10, автомат разгрузки насоса или предохранительное устройство 21, запорное устройство 22 для разрядки пневмогидроаккумуляторов при профилактических работах и другие элементы. В качестве собственно аккумулирующего устройства можно рассматривать блок 12 пневмогидроаккумуляторов с элементами обвязки-трубопроводами 14 и 15, зарядным устройством 13 и т.п.

В варианте исполнения (фиг. 2) предусмотрены обратимый электродвигатель-электрогенратор 23; обратимый гидронасос-гидромотор 24 и дополнительный обратный клапан 25. В соответствии с этим совмещенный агрегат 23 поочередно несет функции электродвигателя 6 и электрогенератора 7 (фиг.1), а совмещенный агрегат 24 (фиг.2) гидронасоса 10 и гидромотора 11 (фиг.1); исключается один из переключателей 4, по-другому установлен синхроноскоп 9. Остальные элементы обоих вариантов (фиг. 1 и 2) одинаковы. Устройство для преобразования и аккумулирования энергии является принадлежностью одной или нескольких систем ветродвигатель 1 электрогенератор 2.

В обоих вариантах давление предварительной зарядки пневмогидроаккумуляторов сжатым газом равно давлению настройки преобразователя гидравлического давления 17. В свою очередь давление настройки преобразователя 17 в 2,36-2,43 раза меньше давления полной зарядки аккумуляторов рабочей жидкостью, что соответствует максимуму внешней работы при разрядке пневмогидроаккумуляторов. По критерию минимума материалоемкости давление полной зарядки аккумуляторов рабочей жидкостью (максимальное гидравлическое давление) принимается в диапазоне 25-40 МПа.

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Первичному включению в работу аккумулирующего устройства (фиг.1) предшествует закрытие запорного устройства 22 и предварительная зарядка сжатым газом с помощью зарядного устройства 13 газовых полостей "а" пневмогидроаккумуляторов блока 12. За счет энергии ветра ветродвигатель 1 приводит во вращение дополнительный электрогенератор 2, который вырабатывает электрическую энергию и направляет ее в промышленную электросеть 8 при замкнутом выключателе 3. Одновременно с этим при замкнутом выключателе 5 - электрический ток может быть подведен и к дополнительному электродвигателю 6, который, как правило, принимает избыточную электроэнергию. Выходной вал двигателя 6 электронасосного агрегата приводит в действие гидронасос 10. Последний через гидравлический фильтр 20 засасывает из бака 19 рабочую жидкость и через обратный клапан 16 нагнетает ее в трубопровод 15 и далее в гидравлические полсти "б" пневмогидроаккумуляторов блока 12. Зарядка аккумуляторов рабочей жидкостью заканчивается при достижении давления в 2,36-2,43 раза превышающем давлении предварительной зарядки пневмогидроаккумуляторов сжатым газом, известным способом электродвигатель 6 отключается, размыкается, в частности, выключатель 5; вне предвиденной ситуации срабатывает автомат разгрузки насоса (предохранительное устройство) 21. Запасенная в блоке пневмогидроаккумуляторов 12 гидравлическая энергия может храниться неопределенно долго; подводу жидкости к гидромотору 11 препятствует закрытое запорное устройство 18, к гидронасосу 10 обратный клапан 16.

При отдаче запасенной энергии в промышленную электросеть замыкается выключатель 4 и открывается запорное устройство 18. В этом случае находящаяся под давление в блоке пневмогидроаккумуляторов 12 рабочая жидкость из трубопровода 15 через открытое запорное устройство 18 направляется в преобразователь гидравлического давления 17, где давление снижается до давления предварительной зарядки аккумуляторов сжатым газом, после чего жидкость поступает в гидромотор 11. Поскольку газовые полости "а" пневмогидроаккумуляторов соединены между собой общим трубопроводом 14, исключается возникновение забросов (пиков) давления при разрядке аккумуляторов в этом режиме работы давление в аккумуляторах выравнивается. К гидронасосу 10 жидкость не проходит препятствует обратный клапан 16; расход жидкости, поступающей в мотор 11, стабилизируется дросселем, встроенным в преобразователь 17. Под действием рабочей жидкости выходной вал мотора 11, вращаясь, приводит в действие электрогенератор 7; отработанная в моторе жидкость в бак 19. Генератор 7 вырабатывает электроэнергию и направляет ее в промышленную электросеть 8.

Генератор 7 может работать самостоятельно или совместно с генератором 2; параметры вырабатываемого им электрического тока одинаковы; синхронизацию параметров вырабатываемого электрического тока, в случае необходимости, обеспечивает синхроноскоп 9. Разрядка блока пневмогидроаккумуляторов 12 может производиться как частично, так и полностью, когда максимально возможное количество жидкости уходит, а давление в пневмогидроаккумуляторах становится равным давлению предварительно зарядки сжатым газом. При любом давлении в пневмогидроаккумуляторах от максимума до минимума давление и расход жидкости, поступающей в гидромотор 11, является одинаковым благодаря преобразователю гидравлического давления 17 с дросселем. Настройка преобразователя 17 на давление срабатывания, равное давлению предварительной зарядки аккумуляторов сжатым газом, означает, что вся запасенная жидкость может преобразоваться в работу мотора 11. Соотношение давления полной зарядки пневмогидроаккумуляторов рабочей жидкостью к давлению предварительной зарядки аккумуляторов сжатым газом, равное 2,36-2,43, является оптимальным с точки зрения коэффициента полезного действия и энергоемкости аккумулирующего устройства.

Мощность (энергоемкость) системы гидромотор 11 электрогенератор 7 определяется расходом и давлением рабочей жидкости после преобразователя гидравлического давления 17 и может быть значительно больше мощности системы электродвигатель 6 гидронасос 10, поскольку зарядка блока пневмогидроаккумуляторов 12 жидкостью, как правило, "растягивается" во времени. Время непрерывной работы системы мотор 11 генератор 7 зависит от вместимости блока аккумуляторов 12. В случае полной разрядки блока пневмогидроаккумуляторов 12 сжатый газ в газовых полостях "а" аккумуляторов остается под давлением предварительной зарядки, при этом газовая полость занимает весь эффективный объем пневмогидроаккумуляторов, система остается готовой к очередному циклу преобразования и аккумулирования гидравлической энергии.

В варианте (фиг. 2) при зарядке аккумулирующего устройства совмещенный (обратимый) агрегат 23 работает в режиме электродвигателя, который приводит в действие совмещенный агрегат 24. Последний работает в режиме гидронасоса и нагнетает рабочую жидкость через обратный клапан 16 в трубопровод 15 и далее
в блок пневмогидроаккумуляторов 12; к преобразователю гидравлического давления 17 жидкость не проходит препятствует дополнительный обратный клапан 25. При отдаче запасенной энергии в промышленную электросеть открывается запорное устройство 18 и находящаяся под давлением рабочая жидкость, минуя обратный клапан 16, поступает в преобразователь гидравлического давления 17 и далее через дополнительный обратный клапан 25 в совмещенный агрегат 24, который начинает работать в режиме гидромотора. Обратный поток жидкости через обратный клапан 16 исключается препятствует более высокое давление со стороны трубопровода 15 и пружина в обратном клапане 16. Выходной вал агрегата 24 приводит в действие совмещенный агрегат 23, который, работая в режиме электрогенератора, вырабатывает электроэнергию и направляет ее в промышленную электросеть 8.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения совокупности условий: заявленный объект предназначен для использования в ветроэнергетике в качестве эффективного средства для преобразования, аккумулирования и отдачи электрической энергии; возможность осуществления изобретения достигается с помощью известных средств и методов; предложена ветроэнергетическая ветроустановки обладает высокой энергоемкостью и повышенными коэффициентами полезного действия и надежностью в работе при минимальном сочетании известных электрических и гидравлических агрегатов и элементов.

Использование: применяется в ветроэнергетике. Сущность изобретения: ветроэнергетическая установка содержит ветродвигатель и устройство для аккумулирования энергии, включающее гидронасос, пневмогидравлические аккумуляторы, гидромотор и мотор-электрогенератор. Установка дополнительно снабжена электрогенератором, кинематически связанным с ветродвигателем, и электродвигателем, образующим с гидронасосом, электронасосный агрегат, а устройство для аккумулирования энергии выполнено в виде блока пневмогидроаккумуляторов, газовые полости которых соединены между собой, а сообщающиеся между собой гидравлические полости пневмогидроаккумуляторов посредством обратного клапана соединены с гидронасосом и посредством запорного устройства и преобразователя гидравлического давлениям - с гидромотором. 2 ил.

Ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель и устройство для аккумулирования энергии, включающее гидронасос, пневмогидравлические аккумуляторы с определенным давлением предварительной зарядки сжатым газом, гидромотор и мотор-электрогенератор, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена электрогенератором, кинематически связанным с ветродвигателем и электродвигателем, образующим с гидронасосом электронасосный агрегат, а устройство аккумулирования энергии выполнено в виде блока пневмогидравлических аккумуляторов, газовые полости которых соединены между собой общим трубопроводом, а сообщающиеся между собой гидравлические полости пневмогидроаккумуляторов посредством обратного клапана соединены с гидронасосом и посредством запорного устройства и преобразователя гидравлического давления с гидромотором, при этом давление предварительной зарядки пневмогидроаккумуляторов сжатым газом равно давлению настройки преобразователя гидравлического давления, величина которого в 2,36 2,43 раза меньше давления полной зарядки аккумуляторов рабочей жидкостью.