ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 1999 года по МПК F03D1/02 

Изобретение относится к конструкциям и эксплуатации ветроэнергетических установок, имеющих широкий диапазон мощностей и возможность перехода на режим тепловой электростанции или теплового двигателя.

Известны ветроустановки роторного типа с вертикальным валом /см. кн. Ветроэнергетические установки. К. Н.Волков, М., 1978, с. 5-31/, содержащие вертикально установленный ротор с лопастями, вращающимися от напора ветра.

Ветроустановки имеют невысокую удельную мощность, большие габариты, достигающие сотни метров по высоте и диаметра ротора в 80-120 м. Их мощность не превышает 20 тыс.кВт. Низкий КПД агрегатов /не более 30%/ не позволяет их широкого использования.

Известны также ветроустановки пропеллерного типа, содержащие винт, башню и вспомогательное оборудование /см. также кн. К.Н.Волкова. Ветроэнергетические установки. М., 1978, с.5-31/. КПД таких установок не превышает 20%. При диаметре винта в 100 м мощность установки не более 4,0 тыс.кВт. В результате широкое применение таких агрегатов также ограничено.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является ветроустановка роторного типа, содержащая ветродвигатель с диффузором, корпусом, в котором размещена многоступенчатая турбина с направляющими сопловыми аппаратами /1, 2/
Целью изобретения является повышение мощности ветроэлектростанции за счет более эффективного использования энергии ветра, а также обеспечение ее работы на энергии углеводородных топлив в периоды отсутствия ветра или его низкой скорости.

Поставленная в изобретении цель достигается за счет дополнительного снабжения ветродвигателя ветроэлектростанции струйным аппаратом-эжектором, выполненным в виде кольцевого сопла, размещенного коаксиально относительно корпуса, причем многоступенчатые турбины размещены последовательно друг с другом, а последняя ступень снабжена ветроколесом. Кроме того, поставленная в изобретении цель достигается за счет снабжения ветроэлектростанции воздухоподогревателями с топкой, компрессором и воздуховодом, а также выполнения рабочих поверхностей лопастей турбины корытообразного сечения.

Из изложенного видно, что критерий "новизны" в заявляемом техническом решении заключается в новом конструктивном его исполнении, описанным новой совокупностью существенных признаков.

Таким образом, поступающий через диффузор воздух под напором ветра последовательно отдает свою кинетическую энергию на каждой ступени двигателя, в результате чего многократно повышается коэффициент использования энергии ветра, а значит и в конечном итоге и мощность всей ветроэлектростанции. Учитывая то, что поставленная в изобретении цель реализуется за счет новой совокупности существенных признаков, а именно дополнительной установки на ветродвигателе ветроэлектростанции эжектора, выполненного в виде кольцевого сопла, размещенного коаксиально относительно корпуса, а также за счет размещения многоступенчатых турбин последовательно друг за другом, правомерен вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "промышленная применимость".

Изложенная сущность изобретения поясняется чертежом, где:
на фиг.1 показан продольных разрез турбинного двигателя ветростанции,
на фиг.2 - продольный разрез ветроэлектростанции,
на фиг.3 - вид на башню сверху /размещенные на башне ветродвигатели/,
на фиг.4 - развертка по ветроколесу,
на фиг.5 - развертка по турбине и направляющему сопловому аппарату.

Ветроэлектростанция состоит из энергетических установок-двигателей 1 /фиг. 2, 3/ и башни 2. Ветродвигатель 1 /фиг.1/ имеет проточную часть, содержащую направляющие сопловые аппараты 3, включающие в себя группу направляющих сопел 4, расположенных равномерно по окружности самого двигателя со своими направляющими 5, турбину активного типа 6 /фиг.5/ с широкими и длинными лопатками 7, корпус 8, диффузор 9, редуктор 10 и электрогенератор. Рабочая поверхность лопаток турбины имеет корытообразное сечение. Последняя ступень двигателя выполняется или с помощью установки ветроколеса 12 /фиг. 1,4/ с частым расположением лопастей 13 на бандаже 14, соединенным с подшипником 15 с помощью спиц 16 и вала 176, или в качестве варианта вместо ветроколеса может быть установлен эжектор в виде кольцевого сопла 18 в конце корпуса. К стенкам 19 сопла крепятся стойки 20, в которых размещен подшипник 21. Корпус ветродвигателя имеет пилон 22 /фиг.1/, с помощью которого двигатель шарнирно подвешен к балкам 23 /фиг.3/ башни 2. Сопло 18 крепится к корпусу 8 с помощью косынок 24 /фиг.1/. В диффузоре двигателя установлен эжектор в виде кольцевого сопла 25, периодически подключаемого к воздухоподогревателю 26, имеющему топку. Зона диффузора 27 при установке сопел 25 /в случае, если ветродвигатель рассчитан на комбинированный режим работы/ является смесительной камерой между нагретым и холодным воздухом, поступающим за счет всасывания из открытого конца диффузора 9. Для поступления воздуха в камеры сгорания 28 служат кольцевые щели 30. Камеры сгорания устанавливаются по окружности диффузора на заданном расстоянии друг от друга и от его стенок. К стойкам 20 двигателя крепятся консоли 31 с площадкой для установки редуктора 10 и генератора 11. Башня содержит колонны /в виде стоек/ 32, балки 23 и ригеля 33, опоры 34. Воздухоподогреватель имеет одно- или двухступенчатый компрессор 35.

Ветроэлектростанция работает следующим образом.

В период работы станции на энергии ветра двигатели 1 устанавливаются на ветер с помощью электромеханического привода и датчиков /не показаны/. В результате воздух от силы ветра поступает в проточную часть многоступенчатой турбины двигателя, где кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию вала 17, который в свою очередь приводит во вращение редуктор 10 и генератор 11. Использование выходной скорости воздуха из первой ступени турбины во второй и последующих, обеспечивает повышение коэффициента использования энергии ветра, а дополнительное размещение на корпусе 8 многоступенчатой турбины /струйного аппарата-эжектора 18/, выполненного в виде кольцевого сопла, размещенного коаксиально относительно корпуса, позволяет существенно повысить скорость воздушного потока на лопатках 7 корытообразного сечения турбин активного типа 6 и значительно повысить мощность многоступенчатой турбины. Снабжение предлагаемой конструкции ветродвигателями, расположенными на многоэтажной башне, обеспечивает возможность их использования в качестве газовой турбины. Это необходимо при отсутствии ветра или его небольшой скорости. С этой целью под башней устанавливается воздухоподогреватель с топкой и одно- или двухступенчатый компрессор для подачи сжатого воздуха в трубчатый воздухоподогреватель. В таком случае сжатый и нагретый воздух во время отсутствия ветра подается в двигатели по трубопроводам и поступает в кольцевые сопла двигателей /эжектор/, установленных в диффузорах, смешивается с подсасываемым воздухом из диффузора двигателя, поступает на турбины. При этом часть энергии от генератора турбины поступает в сеть, а другая частично отбирается на электродвигатель компрессора воздухоподогревателя станции.

В случае необходимости форсирования двигателя (например, в целях увеличения мощности) в диффузоре устанавливаются камеры сгорания 28.

Снабжение последней ступени многоступенчатой турбины ветроколесом также способствует повышению мощности ветродвигателя, так как в обоих устройствах - эжекторе и ветроколесе используется один и тот же источник энергии - воздушный поток, обтекающий корпус многоступенчатой турбины.

Известно, что при увеличении скорости V воздуха на лопатках турбины вдвое повышается в восемь раз мощность ветродвигателя за счет известной в технике зависимости мощности от скорости потока воздуха в третьей степени:
N=0,000833•F•V³•E•K_I,
где E - коэффициент использования ветра;
K_I - механический КПД
Поэтому при увеличении скорости воздуха, например, с 5 м/сек до 6 м/сек мощность двигателя повышается в n=6³/5³=216/125, т.е. более чем в 1,7 раза.

Кроме того, скорость ветра с увеличением высоты H увеличивается в следующей зависимости:

где V₁₀ - скорость ветра на высоте флюгера;
m - показатель степени, зависящий от класса устойчивости атмосферы и шероховатости сушки (m=0,17-0,24).

В результате чего последовательное расположение двигателей по высоте башни 2 обеспечивает существенный рост их мощности с высотой и значительное повышение мощности всей ветроэлектростанции.

Важной особенностью работы электростанции комбинированного типа является возможность получения электроэнергии тогда, когда не только дует ветер, но и при его небольшой скорости или полном отсутствии за счет использования энергии традиционных углеводородных топлив.

Эта особенность работы ВЭС позволяет отказаться от зависимости получения электроэнергии от ветра, а также от вспомогательных двигателей-генераторов или громоздких аккумуляторов энергии, используемых на существующих ветроустановках в периоды безветрия.

В обоих случаях сопло 25 и камеры сгорания 28 являются рабочими соплами струйного аппарата, каким является диффузор 9 и камера 27, которые обеспечивают инжектирование атмосферного воздуха через входное отверстие диффузора 9.

Использование ветроэлектростанции новой конструкции обеспечивает:
- возможность работы и получения электроэнергии тогда, когда не только дует ветер, но и при его полном отсутствии или низкой скорости;
- высокий коэффициент использования энергии ветра, превышающий 80%, обеспечивает более высокую удельную мощность ветродвигателей по сравнению с любыми типами известных аналогов или прототипа в результате применения не только многоступенчатой турбины, но и струйного аппарата и последней ступени турбины в виде ветроколеса;
- значительно более высокая мощность ветродвигателей ВЭС по сравнению с аналогами и прототипами, главным образом (по сравнению с прототипом) в результате использования энергии воздушного потока, генерируемого ветром, обтекающего корпус двигателя;
- расположение ветродвигателей на многоэтажной башне позволяет реализовать и использовать для увеличения мощности электростанции особенность движения ветра, скорость которого монотонно повышается с высотой;
- в общем годовом балансе работы ВЭС (на энергии ветра и энергии топлива) достигается значительное сокращение выброса в атмосферу твердых, жидких и газообразных веществ, способствующих загрязнению атмосферы и парниковому эффекту, а также нагреву окружающей среды сбросным теплом, присущим чисто тепловым электростанциям. Достигается наиболее результативное использование энергии ветра совместно с использованием природных топлив;
- более высокая скорость движения воздуха при ветре в проточной части многоступенчатой турбины за счет использования эжектора позволяет повысить частоту вращения турбины и тем самым использовать электрические генераторы с более низкой стоимостью (или упрощается редуктор);
- в часы "пик" электрической нагрузки в сети обеспечивается возможность форсирования двигателей и повышение их мощности при работе в режиме газовой турбины;
- высокая удельная мощность ветродвигателей обеспечивает меньшую металлоемкость и компактность ВЭС, а отсутствие вспомогательных силовых установок-генераторов электрической энергии в периоды безветрия, на базе дизельных двигателей или различных громоздких аккумуляторов энергии - обеспечивает снижение стоимости строительства ветроэлектрической станции и стоимости одного киловатт-часа при эксплуатации.

Использование: получение энергии с помощью ветра или в качестве газовой турбины при его отсутствии. Ветроэлектростанция содержит несущую конструкцию в виде башни, по периметру которой установлены ветродвигатели с диффузором. Их проточная часть выполнена с турбинами активного типа с широкими выгнутыми лопатками. Между турбинами установлены сопловые аппараты. Последняя ступень многоступенчатой турбины выполнена в виде ветроколеса либо цилиндрического сопла, установленного в конце открытого конца ветродвигателя. технический результат: более эффективное использование энергии ветра. 3 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Ветроэлектростанция, содержащая несущую конструкцию, многоступенчатую турбину, сопловые аппараты, диффузор, редуктор с электрогенератором, отличающаяся тем, что несущая конструкция выполнена в виде башни, по периметру которой установлены ветродвигатели с диффузором, проточная часть которых выполнена в виде многоступенчатой турбины с турбинами активного типа с широкими вогнутыми лопатками с установленными между ними сопловыми аппаратами, а последняя ступень многоступенчатой турбины выполнена в виде ветроколеса или цилиндрического сопла, установленного в конце открытого конца ветродвигателя вокруг его корпуса. 2. Ветроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что в диффузоре ветродвигателя установлено кольцевое сопло, периодически подключаемое к воздухонагревателю с топкой. 3. Ветроэлектростанция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в диффузоре ветродвигателя размещены закрытые с одной стороны камеры сгорания с форсункой и свечой зажигания. 4. Ветроэлектростанция по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что ветродвигатели размещены по периметру снаружи и внутри башни.