МОБИЛЬНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ ВОЗДУШНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК F03D9/00 

Изобретение относится к ветроэнергетике. Целью изобретения является повышение эффективности использования ветроэнергетических установок и обеспечение стабильной подачи электроэнергии в труднодоступные районы с низким уровнем энергообеспечения и в районы чрезвычайной ситуации.

Существующие типы ветроэнергетических установок обладают одним, не зависящим от них, недостатком: стабильность и объем выработки электрической энергии определяется местными ветровыми условиями. Так как энергия ветровых потоков у поверхности земли относится к разряду низкопотенциальных, то это приводит к тому, что ветроэнергетические установки имеют внушительные размеры. Так, при скорости ветра 4,5 м/с с одного квадратного метра сметаемой ветроколесом площади можно получить не более 20...25 Вт мощности. Следовательно, ветроколесо для установки мощностью 1000 Вт будет иметь диаметр около 8,0 м. Большой диаметр ветроколеса приводит к большому осевому моменту инерции вращающихся элементов и меньшей частоте вращения ротора ветроустановки (Z= ω RV=const, Z - быстроходность, ω угловая частота вращения ротора R - радиус концевого сечения лопасти, V - скорость ветра). Все это в совокупности приводит к тому, что коэффициент применения ветроэнергетической установки уменьшается /1,2/. Анализ изменения скорости ветра и его параметров по толщине пограничного слоя Земли /3/ показывает, что на высоте 400 м и более скорость ветра достигает значений более 18 м/с. При этом штилевых условий не бывает. Минимальное значение скорости ветра обычно не ниже значения скорости геострофического ветра /3/. Плотность энергии при таких условиях может достигать значений до 3500 Вт/кв.м. Следовательно, размещение ветроэнергетической установки (ВЭУ) может не только увеличить выработку энергии, но и обеспечить высокую стабильность ее получения.

Сущность изобретения заключается в следующем. Мобильная ветроэнергетическая станция воздушного размещения (МВСВР) размещается на высоте до 500 м и удерживается на ней при помощи аэростатической, аэродинамической сил, силы тяжести и реакции от натяжения кабеля-троса. Корпус МВСВР выполнен в виде набора энергетических модулей 1 (фиг. 1), соединяемых между собой крыльевыми проставками 6. Крайние крыльевые проставки ограничиваются концевыми шайбами 4, обеспечивающими формирование устойчивых вихревых структур с целью исключения моментов, возникающих при их разрушении. Каждый энергетический модуль 1 выполняется в виде тела вращения, внутри которого устанавливается энергоузел с быстроходным ветроколесом (Z>5,0) 2. Энергетический модуль для повышения эффективности энергоузла оканчивается эжекторными накладками 3. Внутренняя поверхность энергетического модуля имеет сложную форму и состоит из двух участков. Участок 8 (фиг.2) выполнен сужающимся для разгона потока 7. Второй участок 9 выполнен расширяющимся в соответствии с формой струи, которую она принимает после энергоузла 2. Обтекающий модуль поток 10 попадает в канал, образующийся между наружной поверхностью модуля и эжекторной накладкой. В этом канале поток ускоряется и на выходе из него, смешиваясь с основным потоком 12, увлекает его. Это приводит к увеличению перепада давления на ветроколесе энергоузла. МВСВР удерживается на рабочей высоте при помощи тросовой системы, являющейся одновременно электрическим кабелем, по которому вырабатываемая энергия сбрасывается на подстанцию, устанавливаемую на земле. Для повышения устойчивости МВСВР по курсу на крыльевых проставках в нижней части устанавливаются кили 13. Компоновка МВСВР с нижними килями показана на фиг. 3. Свободное пространство между обводами корпуса МВСВР заполняется легким газом (He). Благодаря наличию аэростатической Y_а и аэродинамической Y_аэ подъемных сил МВСВР может находиться на рабочей высоте в течение всего заданного времени. Продолжительность времени нахождения МВСВР на рабочей высоте определяется соотношением между Y_а и Y_аэ. Чем меньше Y_аэ, тем меньше продолжительность работы МВСВР. Так как легкий газ (He) обладает высокой проницаемостью через материал оболочки, то необходимо периодически опускать МВСВР для дозаполнения объема газом. Известна конструкция аэростатической ветроустановки (патент РФ N 94005792 от 18.02.94, F 03 D 3/00, /4/ - прототип) в которой для повышения КПД предлагается в профилированном канале установить последовательно друг за другом несколько ветроколес. Однако из литературы /1/ известно, что после ветроколеса скорость потока падает примерно на 30%. Следовательно, следующее ветроколесо необходимо будет сделать с диаметром примерно в полтора раза больше первого. Установка нескольких ветроколес друг за другом неизбежно приведет к возникновению высокого гидравлического сопротивления и падению производительности ветроустановки. Увеличение массы энергоустановки и габаритов всей системы сделает подобное устройство промышленно непригодным.

Применение эжекторных накладок может существенно улучшить условия работы ветроколеса. Известна конструкция ветроэнергетической установки /US Patent N4350897 от 24.10.1980, F 03 D 9/00 /5//, в которой для повышения эффективности работы ветроколеса используется выброс воздуха через вращающиеся лопасти. Основным недостатком подобного способа управления потоком являются габаритные размеры устройства. Отсутствие несущих поверхностей делает невозможным длительный режим работы, лопасти у такого ветроколеса получаются сложными и тяжелыми.

Известна конструкция ветроэнергетической установки (US Patent N4073516, F 03 D 9/00, /6/ - аналог), использующая скоростной напор для удержания устройства на высоте. Однако размещение ветроколеса снаружи устройства приводит к увеличению габаритов, увеличению аэродинамического сопротивления, следовательно, и массы всей системы, включая трос швартовочной системы. Это ограничивает установленную мощность устройства.

Так как предлагаемая конструкция использует модульный принцип построения (фиг. 4), то представляется возможным простым изменением количества энергетических модулей получать МВСВР различной мощности.

Известна ВУЭ воздушного размещения (US Patent N4166596, F 03 D 9/00, /7/), в которой передача отбираемой энергии на поверхность земли осуществляется системой бесконечных гибких тросов. Наличие тросовой передачи существенно утяжеляет конструкцию, делает ее громоздкой с большим аэродинамическим сопротивлением. Возможный перехлест тросов, двигающихся навстречу друг другу, снижает эксплуатационную надежность устройства. Увеличение мощности такой ВЭУ возможно только путем увеличения мощности ветроколеса (соответственно габаритов и массы), что в данном случае неприемлем.

Модули МВСВР соединяются между собой при помощи шарнирных узлов крепления 3 (фиг.5). Силовая система корпуса энергетического модуля набора состоит из колец - диафрагм 1, образующих 4, формирующих внутренние поверхности и замыкающихся на энергетический узел 2. Наружные обводы формируются оболочкой, подкрепленной избыточным давлением наполняемого газа. Крыльевая проставка имеет свою силовую систему, обеспечивающую передачу различных видов нагружения от одного энергетического модуля к другому. Она включает боковые нервюры 5 (фиг. 5) и систему силовых расчалок 6. Энергоузел представляет собой быстроходное (Z > 5) ветроколесо 4 с валом, соединяющееся с генератором 5 посредством редуктора. Редуктор предназначен для понижения выходной частоты вращения, так как частота вращения якоря генератора имеет ограничение по условиям прочности. Генератор 5, блок-распределитель 6 и блок контроля и диагностики 7 размещаются в центральном теле 3, соединяющемся с наружной обечайкой 1 (поз. 5 фиг.6) при помощи профилированных силовых стоек 2.

Газонаполняемые объемы модулей МВСВР не связаны между собой, чем достигается повышенная живучесть всей установки. МВСВР удерживается на рабочей высоте с помощью кабеля-троса и лебедки аэростатного удерживающего устройства (АУУ), объединенного вместе с наземной электроподстанцией. АУУ может быть смонтировано на шасси автомобиля Урал - 375 или установлено на специальной передвижной платформе. Сборка и монтаж МВСВР может проводиться помодульно в различных местах с последующей транспортировкой любым видом транспорта, в том числе и по воздуху к месту запуска. На стартовой площадке производится соединение модулей и запуск МВСВР на рабочую высоту. Проведенные расчеты показывают, что подобная установка мощностью 500 кВт может быть приведена в рабочее состояние и запущена на рабочую высоту не более чем за 5 ч.

Таким образом, применение мобильной ветроэнергетической станции позволяет наладить снабжение электроэнергией потребителей в любой местности и условиях.

Источники информации
1. Eggleston M. David. Forest S. Stoddart. Wind turbine engineering Design. Van Nostrand Reinhold company, New York, 1987, 352 pg.

2. Г. Х. Сабинин. Теория и аэродинамический расчет ветряных двигателей. ГНТИ, Москва, -Ленинград., 1931 г., с.71.

3. Новикова Э.Н. Метеорологический режим нижнего 500-метрового слоя атмосферы по наблюдениям на телевизионной башне в Останкине. М.: Труды ЦВГО. Гидрометеоиздат. 1982 г.

4. Патент РФ N 94005792 от 18.02.94, F 03 D 3/00.

5. US Patent N4350897 от 24.10.1980, F 03 D 9/00.

6. US Patent N4073516 от 14.02.1978, F 03 D 9/00.

7. US Patent N4166596 от 04.09.1979, F 03 D 9/00.

Изобретение относится к ветроэнергетике. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности использования ветроэнергетических установок и обеспечении стабильной подачи электроэнергии, достигается за счет того, что у мобильной ветроэнергетической станции воздушного размещения согласно изобретению корпус выполнен в виде набора энергетических модулей количеством от одного и более, причем внутреннее пространство модуля состоит из двух участков - сужающегося для разгона потока и расширяющегося, наполняемых легким газом. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Мобильная ветроэнергетическая станция воздушного размещения, отличающаяся тем, что ее корпус выполнен в виде набора энергетических модулей количеством от одного и более, причем внутреннее пространство модуля состоит из двух участков - сужающегося для разгона потока и расширяющегося, наполняемых легким газом. 2. Станция по п.1, отличающаяся тем, что энергетические модули соединяются между собой крыльевыми проставками. 3. Станция по п.1, отличающаяся тем, что газонаполняемые объемы модулей не связаны между собой. 4. Станция по п.1, отличающаяся тем, что для повышения устойчивости по курсу на крыльевых проставках в нижней части устанавливаются кили. 5. Станция по п. 1, отличающаяся тем, что ее аэростатное удерживающее устройство объединено с наземной электроподстанцией. 6. Станция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что крыльевая проставка имеет свою силовую систему, обеспечивающую передачу различных видов нагружения от одного модуля к другому. 7. Станция по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что крайние крыльевые проставки ограничиваются концевыми шайбами.