ВЕТРОВАЯ АККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1998 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к электростанциям, способным преобразовывать с больших площадей ветровую энергию в электрическую.

Известна ветроэнергетическая станция, содержащая башни, установленные на них ветродвигатели и кинематически связанные с последними электрогенераторы [1]
Однако эта ветроэнергетическая станция имеет низкий КПД и не может работать при отсутствии ветра.

Известна ветровая аккумулирующая электростанция, содержащая несколько ветроэнергетический установок, каждая из которых включает ветродвигатель и кинематически связанный с ним компрессор, а также систему трубопроводов для подачи сжатого воздуха от ветроэнергетических установок к турбинам, кинематически связанным с электрическими генераторами [2]
Однако эта ветровая аккумулирующая электростанция имеет низкий КПД и ограниченные эксплуатационные возможности.

Изобретение направлено на повышение КПД ветровой аккумулирующей электростанции, расширение эксплуатационных возможностей и улучшение экологической обстановки, т.к. дополнительно она является средством светозащиты, ветрозащиты и защиты от проникновения холодных северных ветров в другие районы.

Для решения этой задачи ветровая аккумулирующая электростанция, содержащая несколько ветроэнергетических установок, каждая из которых включает ветродвигатель и кинематически связанный с ним компрессор, а также систему трубопроводов для подачи сжатого воздуха от ветроэнергетических установок к турбинам, кинематически связанным с электрическими генераторами, снабжена маховиками с лопатками и дополнительными компрессорами, кинематически связанными с маховиками с помощью включаемых муфт сцепления, при этом система трубопроводов снабжена соплами для подачи сжатого воздуха на лопатки маховиков и турбин, а также задвижками и датчиками давления и частоты вращения для регулирования подачи сжатого воздуха на лопатки турбин и маховиков.

На фиг.1 изображена блочно-модульная схема ветровой аккумулирующей электростанции, размещенной на значительной территории; на фиг.2 отдельный модуль ветровой аккумулирующей электростанции; на фиг.3 принципиальная схема ветровой аккумулирующей электростанции; на фиг.4 ветроэнергетическая установка; на фиг.5 маховик с компрессором; на фиг.6 вид по стрелке А на фиг.5.

Ветровая аккумулирующая электростанция содержит систему модулей 1, соединенных между собой магистральными трубопроводами 2, ветроэнергетические установки 3 и воздушные трубопроводы 4. Соединение модулей 1 создает блочно-модульную схему, которая может иметь вид сетки, охватывающей значительные территории. Блочно-модульная конструкция может иметь вид замкнутой линии, которая находится на берегу морей и океанов. Плотность модулей 1 в общей блочно-модульной схеме зависит от наличия потребителей электрической энергии и расположения населенных пунктов. Каждый модуль 1 имеет условное обозначение в виде А₁, А₂, А_n( модули первого ряда), Б₁, Б₂, Б_n (модули второго ряда) и т.д. Такая разветвленная блочно-модульная схема позволяет маневрировать воздушным потоком при отсутствии ветра в одном районе (например, модуль K₁) и сильном ветре в районах модулей А₁ и Б₁. При этом часть сжатого воздуха, вырабатываемого ветроэнергетической установкой по воздушным трубопроводам 4 и магистральным трубопроводам 2 (эти трубопроводы образуют систему трубопроводов для подачи сжатого воздуха от ветроэнергетических установок к турбинам), направляется к модулю К₁. Этот модуль может работать при отсутствии в его окружении ветра.

В состав каждого модуля 1 входят несколько ветроэнергетических установок 3, которые располагаются вокруг модуля и связаны с ним посредством системы трубопроводов. Внутри каждого модуля 1 установлены турбина 5, кинематически связанная с электрическим генератором 6, маховики 7 с лопатками 8, осуществляющие преобразование энергии сжатого воздуха в кинетическую энергию вращающихся моховиков.

Ветроэнергетическая установка 3 состоит из лопастей 9, флюгера 10, конической передачи 11, вертикального вала 12, кривошипа 13, компрессора 14 и металлоконструкции 15. Компрессор 14 имеет два цилиндра, в которых возвратно-поступательное движение поршней преобразуется в энергию сжатого воздуха. Компрессор 14 установлен в основании ветроэнергетической установки. Сжатый воздух из компрессора 14 через выпускные клапаны поступает в воздушный трубопровод 4. Проходя обратный клапан, сжатый воздух поднимает давление в системе трубопроводов, при этом открывается задвижка, которая позволяет сжатому воздуху поступать в магистральный трубопровод 2. Управление задвижками и регулирование движением сжатого воздуха осуществляются посредством датчиков давления. Обратный клапан служит для предотвращения поступления сжатого воздуха из магистрального трубопровода 2 к ветроэнергетической установке 3.

Сжатый воздух поступает на турбину 5 через сопла 16, которые равномерно установлены вокруг турбины. Струя сжатого воздуха воздействует на лопатки турбины и раскручивает ее до определенной частоты вращения. При этом генератор 6 вырабатывает электрическую энергию. Часть сжатого воздуха через сопла 16 поступает на лопатки 8 маховика 7 (первого маховика), который также раскручивается до номинальной частоты вращения. Датчик частоты вращения маховика переключает подачу сжатого воздуха к следующему маховику. Раскручивание нескольких (их может быть три и более, это зависит от мощности электростанции) маховиков позволяет преобразовывать энергию сжатого воздуха в кинетическую и аккумулировать эту энергию. После раскручивания всех маховиков 7 модуля 1, снижения давления воздуха и частоты вращения турбины включаются муфты сцепления 17, которые аккумулированную кинетическую энергию передают дополнительным компрессорам 18. Сжатый воздух из дополнительного компрессора 18 через трубопровод 19 поступает к турбинам 5 генераторов 6. Дополнительные компрессоры 18 имеют устройство, аналогичное компрессорам 14.

Ветровая аккумулирующая электростанция работает следующим образом.

При наличии ветра в зоне одного из модулей 1 в работу вступают ветроэнергетические установки 3, которые энергию ветра преобразуют в энергию сжатого воздуха. Это осуществляется в компрессоре 14. Далее сжатый воздух поступает в воздушный трубопровод 4, в котором он проходит обратный клапан, взаимодействует с датчиком давления и по его сигналу открывается задвижка и сжатый воздух переходит в магистральный трубопровод 2. От нескольких ветроэнергетических установок 3 сжатый воздух по системе трубопроводов поступает к модулю 1 (например, А₁₀, фиг.2). Количество ветроэнергетических установок, примыкающих к одному модулю, зависит от мощности электростанции и может составлять от десяти до нескольких десятков и сотен. Основной поток сжатого воздуха первоначально направляется к турбине 5, где, проходя через сопла 16, он воздействует на лопатки турбины 5, раскручивая ее до определенной частоты вращения. Совместно с турбиной 5 вращается генератор 6, который вырабатывает электрическую энергию. Частота вращения турбины 5 автоматически поддерживается с помощью регулирующей аппаратуры, которая увеличивает или уменьшает подачу сжатого воздуха к лопаткам турбины. При этом уменьшается поток сжатого воздуха, направленного на турбину, которая уже вращается с определенной частотой. Освободившийся поток сжатого воздуха направляется к соплам 16 и воздействует на лопатки 8, раскручивая маховик 7, при этом происходит аккумулирование энергии. Каждый модуль 1 может иметь от одного до трех маховиков. Количество маховиков 7 в одном модуле 1 может быть значительно больше, оно зависит от мощности электростанции. После раскручивания первого маховика до номинальной частоты от датчика частоты вращения поступает сигнал и прекращается подача сжатого воздуха на лопатки 8. Сжатый воздух поступает на лопатки второго, затем третьего маховика и так далее.

Модуль 1 полностью загружен, когда работает турбина 5 с генератором 6 и вращаются все маховики 7. Это возможно при сильном ветре. Освободившийся поток сжатого воздуха по системе трубопроводов от компрессора 14 поступает к другим модулям, где отсутствует ветер или сила ветра мала. Происходит перераспределение ветровой энергии и передача ее другим модулям посредством энергии сжатого воздуха.

Если в зоне модуля 1 дует порывистый ветер, то в момент отсутствия ветра вступает в работу дополнительный компрессор 18. Включение соответствующего дополнительного компрессора 18 осуществляется с помощью муфт сцепления 17. При снижении частоты вращения турбины 5 от маховика 7 вращение передается дополнительному компрессору 18, который сжимает воздух и по трубопроводу 19 подает его через сопла на лопатки турбины. Кинематическая энергия маховика 7 преобразуется в энергию сжатого воздуха для поддержания нормальной работы генератора 6. В случае необходимости вступает в работу второй, третий маховик и т. д. Это позволяет производство электрической энергии не прекращать после снижения давления воздуха в магистральном трубопроводе.

При очень сильном ветре модуль 1 может работать в режиме выработки электрической энергии (работает турбина и генератор) и сжатого воздуха (вращаются маховики 7 и работает дополнительный компрессор 18). При этом происходит нагнетание сжатого воздуха во всю систему трубопроводов и передача ветровой энергии на модули, где ветер отсутствует.

Объединение всех модулей на огромной территории, создание блочно-модульной схемы, способность к аккумулированию ветровой энергии увеличивает мощность электростанции и делает ее работу независимой от отсутствия ветра. Ветровая аккумулирующая электростанция может работать в следующих режимах:
производство электрической энергии без аккумулирования ветровой энергии;
производство электрической энергии с одновременным аккумулированием ветровой энергии;
аккумулирование ветровой энергии без производства электрической энергии;
производство электрической энергии и сжатого воздуха.

Выбор режима работы зависит от силы ветра, метеорологического прогноза, потребности в электрической энергии и других факторов. Управление работой всей электростанцией целесообразно осуществить при помощи компьютера.

Предлагаемая ветровая аккумулирующая электростанция имеет простую конструкцию, надежна в работе, обладает высоким КПД и может работать в различных режимах и при отсутствии ветра.

Использование: в электростанциях, преобразовывающих ветровую энергию в электрическую. Сущность изобретения: ветровая аккумулирующая электростанция содержит несколько ветроэнергетических установок, каждая из которых включает ветродвигатель, кинематически связанный с ним компрессор, а также систему трубопроводов для подачи сжатого воздуха от ветроэнергетических установок к турбинам, кинетически связанным с электрическими генераторами, снабжена маховиками с лопатками и дополнительными компрессорами, кинематически связанными с маховиками с помощью включаемых муфт сцепления, при этом система трубопроводов снабжена соплами для подачи сжатого воздуха на лопатки маховиков и турбин, а также задвижками и датчиками давления и частоты вращения для регулирования подачи сжатого воздуха на лопатки турбин и маховиков. 6 ил.

Ветровая аккумулирующая электростанция, содержащая несколько ветроэнергетических установок, каждая из которых включает ветродвигатель и кинематически связанный с ним компрессор, а также систему трубопроводов для подачи сжатого воздуха от ветроэнергетических установок к турбинам, кинематически связанным с электрическими генераторами, отличающаяся тем, что она снабжена маховиками с лопатками и дополнительными компрессорами, кинематически связанными с маховиками с помощью включаемых муфт сцепления, при этом система трубопроводов снабжена соплами для подачи сжатого воздуха на лопатки маховиков и турбин, а также задвижками и датчиками давления и частоты вращения для регулирования подачи сжатого воздуха на лопатки турбин и маховиков.