ВЕТРОТУРБИННАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2002 года по МПК F03D7/04 

Изобретение относится к области энергосберегающих технологий, в частности к области использования энергии ветра для получения электроэнергии. Актуальность решения энергетической проблемы определяется не только истощением органических источников энергии (нефть, газ, уголь), но и экологическим вредом от их сгорания. На эту проблему обращают внимание и крупнейшие нефтегазовые компании и правительства некоторых стран. Так в [1] сообщается, что компания "Ройал Датч Шелл" выделила на разработки в области использования энергии ветра, солнца и растительности 500 млн. долларов и, по ее прогнозам, к 2010 г. мировой рынок только солнечной энергетики достигнет 6 млр. долларов, вместо настоящего 1 млр. долларов. В [2] сообщается, что правительство Дании планирует к 2030 г. увеличить долю солнечной и ветровой энергетики в общем балансе с 4% до 30%, а в [3] сообщается, что в Голландии в начале нового тысячелетия предполагается внедрить 5000 ветроэлектростанций и 20% потребителей электроэнергии получить за счет ветра. Аналогичная задача решается в [4]. В [5, 6] приводятся данные для 2-лопастного крыльчатого ветродвигателя мощностью до 3000 кВт, длиной лопастей 100 м и шириной 5 м. В [7] приводятся конструкции ветроэнергетических установок и применение их, в частности, в сельском хозяйстве. В [8] вводятся 3-и вида конструкций ветродвигателей (крыльчатые, карусельные и барабанные). Основным недостатком существующих ветродвигателей является малый коэффициент использования площади ветрового колеса (отношение площади лопастей к площади сечения цилиндрического ветрового ламинарного потока на лопасти). Так для крыльчатых они достигают 0,42 (для многолопастных), а для карусельных и барабанных всего 0,1. Для гигантского ветродвигателя [5, 6] он составляет всего 0,03.

Известна ветротурбинная электростанция, содержащая усилитель скорости ветра, воздушную турбину и генератор постоянного тока со стабилизатором электродвижущей силы (см. RU, 2147693 С1, кл. F 03 D 1/04, 20.04.2000, 7 с.), по совокупности существенных признаков, принятая за ближайший аналог (прототип) изобретения.

Недостатками электростанции являются низкий КПД и удельная мощность двигателя.

Технический результат, заключающийся в повышении КПД и стабильности электродвижущей силы при изменении скорости ветра и нагрузки электрогенератора, обеспечивается за счет того, что в ветротурбинной электростанции, содержащей усилитель скорости ветра, воздушную турбину и генератор постоянного тока со стабилизатором электродвижущей силы, согласно изобретению усилитель скорости ветра, двухступенчатая воздушная турбина и электрогенератор постоянного тока со стабилизатором электродвижущей силы включены последовательно, при этом усилитель скорости ветра состоит из двух конусов внешнего и внутреннего, расположенных навстречу друг другу своими вершинами и сжимающими воздушный поток, увеличивая скорость ветра. Воздушная турбина состоит из двух последовательных ступеней, причем первая ступень работает на ламинарный воздушный поток, а вторая на вихревой. Для получения максимального вращающегося момента на валах роторов ступеней лопатки (лопасти) роторов располагаются под углом 45^o к оси вращения, а по отношению ступеней - под углом 90^o, для согласования направления вращения роторов ступеней и соосности валов роторов между ступенями предусмотрен согласующий редуктор с 3-мя зубчатыми зацеплениями, а в стабилизаторе электродвижущей силы предусмотрено устройство, формирующее текущее значение ЭДС, состоящее из нелинейного элемента, входом в который является ток возбуждения, а выходом - сигнал, пропорциональный магнитному потоку и множительного элемента, в который входят сигналы от нелинейного элемента и от датчика угловой скорости (тахогенератора), а выходом - напряжение, равное ЭДС, которое сравнивается с заданным, и отклонение подается в блок управления током возбуждения генератора.

Поставленная задача решается, согласно фиг.1, агрегатом, состоящим из следующих блоков:
1 - усилитель скорости ветра;
2 - воздушная турбина;
3 - электрогенератор постоянного тока;
4 - стабилизатор электродвижущей силы генератора 3;
N_в - мощность входного потока ветра;
N_у - выходная мощность усилителя 1;
N_т - выходная мощность турбины 2;
N_г - выходная мощность электрогенератора 3;
V_в - линейная скорость на входе 1;
V_у - линейная скорость на выходе 2;
ω_т - угловая скорость выходного вала турбины 2 и генератора 3;
U_r - напряжение на зажимах 3;
i_в - ток возбуждения 3.

Энергетическая связь между блоками на фиг.1 указана верхними стрелками между мощностями N_в, N_у, N_т и N_г и аналитически определяется уравнениями (1), (2), (3)
N_у = η_у•N_в, (1)
N_т = η_т•N_у = η_т•η_у•N_в, (2)
N_г = η_г•N_т = η_г•η_т•η_у•N_в = η_эс•N_в, (3)
где η_у, η_т, η_г - КПД усилителя, турбины и генератора, а η_эс - КПД электростанции в целом.

Аналитическая связь между скоростями определится уравнениями (4) и (5)
V_y=K_y•V_y, (4)
ω_т = K_т•V_у, (5)
где К_у - коэффициент усиления усилителя 1,
К_т - коэффициент передачи турбины 2.

На фиг.2 представлен чертеж конструкции ветродвигателя, состоящей из 2-х блоков усилителя скорости и турбины, на которой обозначено:
1 - внешний усеченный конус усилителя скорости;
2 - внутренний конус усилителя скорости;
3 - входная крышка статора первой ступени турбины;
4 - лопатки ротора первой ступени;
5 - цилиндрическая часть статора первой ступени;
6 - выходная крышка статора первой ступени;
7 - цилиндрическая часть, соединяющая статоры первой и второй ступени турбины;
8 - передняя крышка статора второй ступени;
9 - цилиндрическая часть статора второй ступени;
10 - задняя крышка статора второй ступени;
11 - цилиндрические окна в крышках статоров;
12 - редуктор между ступенями турбины;
13 - лопатки ротора второй ступени турбины;
14 - вал ротора первой ступени турбины;
15 - вал ротора второй ступени турбины.

Отличительным признаком предлагаемого ветротурбинного двигателя является наличие усилителя скорости ветра, состоящего из 2-х конусов, между которыми проходит сжимающийся воздушный поток, и 2-ступенчатой турбины, ступени которой соединены согласующим редуктором, назначение которого согласовать направление вращения валов роторов первой и второй секций турбины (если роторы секций соединить одним валом, то турбина работать не будет).

Качественная сторона работы турбины определяется следующей последовательностью. Цилиндрический ламинарный поток ветра Ф₀, диаметром D₀ (фиг.2), обладающий мощностью N_в, входит в межконусное пространство усилителя скорости ветра. Часть энергии потеряется при отражении от конической поверхности и превратится в тепло и внутреннюю энергию конусов. Поэтому поток ветра на выходе усилителя и входе в турбину будет иметь мощность меньшую на величину этих потерь.

Через цилиндрическое окно с 3-мя перемычками между верхней и нижней частью крышки статора первой ступени 3 (фиг.2) воздушный поток попадает на лопасти 4 под углом α к нормам плоскости лопаток. При α=45^o получается mах вращающегося момента на валу ротора первой секции, а соответственно, и мощности.

На лопатке ветровой поток разлагается на две перпендикулярные части, одна из которых совпадает с нормалью к лопатке, а вторая параллельно ей, которая превращается из ламинарного в вихревой поток, который через заднее окно крышки 6 (фиг.2) проходит на вход второй секции крышки 8 и через окно поступает на лопатки 13 ротора второй секции, которые расположены перпендикулярно лопаткам первой секции и обеспечивают mах передаваемого вращающего момента, а соответственно, и мощности. Вследствие перпендикулярного расположения лопаток ротора первой и второй секций турбины вращение роторов будет взаимно противоположное (без редуктора), поэтому для согласования необходимо соблюдать в редукторе нечетность зацеплений шестерен и условие соосности осей роторов. Таким образом, мощность на валу ротора второй секции будет определяться как мощностью первой, так и второй секции (арифметической суммой) и передаваться электрогенератору через вал 15.

Количественные соотношения между энергетическими величинами (мощности, силами, давлениями) и геометрией ветротурбинного двигателя можно определить для ветровых потоков; цилиндрического входного в усилитель, отраженного от конусов усилителя и отраженного от лопаток роторов секций турбины и превращающих поступательное движение воздуха во вращающее движение роторов турбины.

Энергетические величины цилиндрического входного потока диаметра D₀ (фиг. 2) определяются согласно фиг.3 для приращения кинематической энергии (6)
dW = dmxV2в

:2 = ρ•π•D20•V2в•dx:8, (6)
где ρ - плотность воздуха,
D₀ - диаметр входного внешнего конуса усилителя скорости,
V_в - скорость ламинарного потока ветра,
dx - элемент пути в направлении ветра.

Если (6) разделить на элемент времени dt, то получим выражение для мощности второго потока N_в (7)

Разделив (6) на элемент dx, получим выражение для силы ветрового потока (8)
F_в =dW:dx = ρ•π•D20

•V2в:8. (8)
А учитывая понятие давления как отношения силы на площадь, то для него получим
P_в = (F_в:S_в) = ρ•V20:2, (9)
где S_в=π•D₀ ²:4 - площадь сечения ветрового потока в направлении х.

Работа воздушного потока в межконусном пространстве усилителя скорости определится по векторной диаграмме давлений на фиг.4, на которой обозначено:
х - ось, совпадающая с направлением ветра;
L - ось, совпадающая с образующей одного из конусов;
n - нормаль к L;
р₀ - давление ветра в направлении х от входного потока в межконусном пространстве усилителя;
р_0n - составляющая р₀ в направлении n;
p_0L - составляющая р₀ в направлении L;
p₁ - давление отраженного от конуса потока воздуха;
p_1n - составляющая p₁ в направлении n;
р_1L - составляющая p₁ в направлении L;
p_1x - составляющая p₁ в направлении х;
р_2х - вторая квадратурная составляющая p₁;
α - дополнительный угол к углу падения входного потока на конусную поверхность;
β - дополнительный угол к углу отражения для отраженного потока.

Если в качестве модели использовать случай косого удара шарика о поверхность с потерями энергии [9], то разность между р_0n и p_1n можно трактовать как потерю давления для безвозвратных потерь, уходящих на нагрев конуса, a p_1n идет на изменение внутренней энергии конуса. Согласно [8] потеря энергии определяется по коэффициенту восстановления "к" как отношение tg угла падения (90^o-α) к углу отражения (90^o-β), т.е.

K = tg(90^°-α):tg(90^°-β) = tgβ:tgα, (10)
где к≤1.

Если потери на нагрев отсутствуют, то к=1, а для стеклянного шара, падающего на стеклянную поверхность к=15:16≈0,9375, т.е. 0,0625 от входного количества движения идет на нагрев стекла. Конечно такая модель не может полностью объяснить процессы отражения частиц воздуха от поверхности конусов и требует экспериментальных исследований, но оно дает качественную сторону процесса. Потери энергии зависят от качества поверхности конусов. Если поверхность отполирована, то потери будут меньше, чем для шероховатой. Поскольку плотность "ρ" зависит от влажности воздуха, то и потери будут зависеть от влажности воздуха (ветер с дождем или со снегом). Если идеализировать процесс с отсутствием безвозвратных потерь на нагрев, т.е. считать α =β, то согласно диаграмме фиг.4 и соотношений (7) и (9) получим мощность входного потока усилителя (11)
N_в = P_в•V_в•πD20

:4, (11)
а для выходного потока усилителя (12)
N₁ = P_1x•V_1в•π(D21-D22):4, (12)
где P_в=ρ₀•V_в ²:2 - давление ветра на входе усилителя скорости ветра;
P_1x = ρ₀•V21•cos2α:2 - давление ветра на выходе усилителя;
V_в - скорость ветра на входе усилителя;
V₁ - скорость ветра на выходе усилителя.

Поскольку потери на нагрев конусов согласно условию идеализации отсутствуют, то N₁=N_в, т.е. КПД усилителя равен 1.

Приравняв (11) и (12) с учетом зависимости Р_в и Р_1х от скоростей, получим (13)
V3в

•D20 = V31•(D21-D22)•cos2α, (13)
из которого получим (14)

где - коэффициент усиления ветра.

Если учесть потери на нагрев, то подкоренное выражение необходимо умножить на КПД усилителя. Величина α<45^o, т.к. в случае α=45^o выходная мощность усилителя будет равна 0 и вся система работать не будет, поэтому α рекомендуется выбирать в пределах (15-30)^o, т.к. от α зависит высота конусов Н, а соответственно, и размеры усилителя.

На векторной диаграмме сил фиг.5 отображено действие воздушного потока в 2-х ступенях турбины. На фиг.5 обозначено:
1. L - ось, лежащая в плоскости лопаток роторов ступеней турбины;
2. n - нормаль к лопатке (к оси L);
3. F_x1=S₀•P_1x - сила, действующая на все лопатки первой ступени турбины;
4. S₀ - площадь входного окна входной крышки статора турбины;
5. F_n1 - проекция силы F_x1 на нормаль n;
6. F_n2 - проекция силы F_n1 на нормаль к х;
7. F_n3 - проекция силы F_n1 на ось х;
8. F_L1 - проекция силы F_x1 на ось L;
9. F_L2 - проекция силы F_L1 на нормаль к оси х;
10. F_L3 - проекция силы L₁ на ось х.

Сила F_x1 раскладывается на 2-е нормальные силы F_n1 и F_L1. Этим разложением поток, поступающий на лопатки первой ступени, раскладывается на 2-е составляющие - нормальную, определяюмую силой F_n1, и параллельную лопаткам ротора первой ступени, определяемую силой F_L1. Вторая составляющая в виде вихревого потока уходит во вторую ступень турбины, а первая, после разложения силы на F_n2 и F_n3 на 2 потока, один из которых, определяемый силой F_n2, и создает вращающий момент на валу ротора первой секции. После разложения F_L1 на две составляющие F_L2 и F_L3, а с учетом того, что F_L1 нормальна к плоскостям лопаток второй секции, вращающий момент на валу ротора второй секции определяется силой F_L2, нормальной к оси х.

Из диаграммы видно, что поскольку |F_n2| =|F_n1| и они направлены навстречу, то между секциями необходим реверсивный редуктор, согласующий направления вращения валов секций, что возможно лишь при нечетном количестве зацеплений шестерен редуктора, а с учетом соосности осей первой и второй ступени, их должно быть min 3, что и заложено в конструкции фиг.2.

Связь между турбиной и электрогенератором может осуществляться известными способами (ремень, повышающий редуктор, муфты).

Поскольку основным возмущением для генератора в данном случае является изменение величины скорости ветра, то и стабилизация напряжения на зажимах генератора осуществляется через стабилизацию электродвижущей силы (ЭДС).

Управляющим воздействием является ток возбуждения генератора i_в.

Зависимость ЭДС от магнитного потока Ф и угловой частоты ω определится (15)

где Е_г - ЭДС генератора;
ω - угловая частота вращения вала генератора;
Ф - магнитный поток;
К_г=[(N•Р):(2π•а)];
N - число стержней якорной цепи генератора;
р - число пар полюсов;
а - число пар параллельных ветвей.

На фиг.6 представлены графики Е_г=f(i_в) генератора для частот ω₁, ω_н и ω₂, причем ω₁<ω_н<ω₂, где ω_н - частота, соответствующая номинальным режимам работы генератора, определяется значениями Е_г=Е_гн, i_в=i_вн на графике ω = ω_н.
При увеличении скорости ветра увеличится и ω до ω₂. В этом случае ЭДС увеличится на величину ΔЕ_г и для поддержания Е_г=Е_гн ток возбуждения необходимо уменьшать до i_в=i₂, изображающая точка будет перемещаться по верхнему графику от точки "а" до точки "в". При уменьшении ω до ω₁ ЭДС уменьшится на величину - ΔЕ_г и ток возбуждения i_в необходимо увеличивать до i_в=i₁, чтобы Е_г= Е_гн, изображающая точка будет перемещаться по нижнему графику от точки "с" до "d".

На фиг.7 представлен график зависимости магнитного потока от тока возбуждения.

На фиг.8 представлена схема со стабилизатором ЭДС генератора, на которой обозначено:
1 - генератор;
2 - выходная цепь нагрузки генератора;
3 - датчик угловой частоты (тахогенератор);
4 - функциональный элемент, отображающий график фиг.7;
5 - усилитель;
6 - управляющий током возбуждения блок;
ω - угловая частота вращения вала, равная π•n:30;
n - обороты вала;
Е_г - ЭДС генератора;
U_н - напряжение нагрузки;
Ф - поток возбуждения;
i_в - ток возбуждения;
Е_г3 - заданное значение ЭДС генератора;
ΔЕ_г - отключение ЭДС Е_г от Е_г3.

Работа стабилизатора определяется следующим образом.

При изменении скорости ветра изменятся обороты турбины и угловой частоты ω вала генератора, которая измеряется датчиком 3, изменится и ЭДС генератора Е_г, что при наличии контура нагрузки не представляется возможным, в предлагаемой схеме эта величина вычисляется путем перемножения сигналов от датчика угловой скорости ω и сигнала от нелинейного элемента 4.

В этом случае постоянный коэффициент выхода множительного устройства должен быть равен к_г. Выход множительного устройства, равный Е_г (если постоянного коэффициента недостаточно для равенства к_г, то необходим усилитель напряжения), сравнивается с заданным напряжением генератора Е_гн, а отклонение ΔЕ_г через усилитель 5 передается в управляющее устройство током i_в 6 для автоматического перемещения изображающей точки из "а" в "в" или из "с" в "d".

Нелинейный элемент 4 должен соответствовать графику фиг.7.

Пример ветротрубинной электростанции с параметрами: D₀=6 м; D₁=3,l м; D₂=2,9 м; высота окна выходной крышки первой ступени турбины h=0,1 м; α=15^o; Н - высота конусов равна 5,4 м; ρ=1,3 кг:м³; η_у=0,95; η_т=0,95; η_г=0,9. Для данных параметров при скорости ветра V_в=10 м/с получим N_в=18,378 кВт, при V_в= 12,5 м/с, N_в=35,895; при V_в=15 м/с, N_в=62,027 кВт, соответственно с учетом КПД электростанции получим для V_в=10; N_эс=14,927 кВт, при V_в=20 м/с; N_в= 147,027 кВт. Соответственно с учетом КПД электростанции получим для V_в=12,5 м/с; N_эс= 28,2899 кВт; при V_в=15 м/с; N_эc=50,49 кВт при V_в=17,5 м/с, N_эс= 80,177 кВт; V_в=20 м/с; N_эс=1 19,423 кВт.

Предлагаемая конструкция ветротурбинной электростанции может найти широкое применение в фермерских хозяйствах для экономии электроэнергии, а также в местах с большими запасами энергии ветра, в частности на берегах морей и океанов.

Источники информации
1. "Советская Россия", 125 (11563), 25.10.97 г. (газета).

2. "Советская Россия", 62 (11651), 28.05.1998 г. (газета).

3. "Достоинство" (газета), 32 (326), 7-13.08.2000 г., с.8.

4. "Наука и жизнь" (журнал), 2, 1989, "Надежда на ветер", с.12.

5. "Гигант ветроэнергетики", "Наука и жизнь", 8, 1987 г., с.44.

6. "Мягкий подшипник", "Наука и жизнь", 5, 1985 г., с.126.

7. Фатеев Е.М. "Ветродвигатели и ветроустановки", 2-е изд., М., 1957 г. и его же "Ветродвигатели и применение их в сельском хозяйстве", 2-е изд., М. , 1958 г.

8. "Ветродвигатель", "Малая Советская Энциклопедия", 2, "БСЭ", третье издание, 1958 г.

9. Тарг С. М. "Краткий курс теоретической механики", М., 1966 г., с. 416-417.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Технический результат, заключающийся в повышении КПД и стабильности электродвижущей силы при изменении скорости ветра и нагрузки электрогенератора, обеспечивается за счет того, что в ветротурбинной электростанции, содержащей усилитель скорости ветра, воздушную турбину и генератор постоянного тока со стабилизатором электродвижущей силы, согласно изобретению усилитель скорости ветра, двухступенчатая воздушная турбина и электрогенератор постоянного тока со стабилизатором электродвижущей силы включены последовательно. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Ветротурбинная электростанция, включающая в себя усилитель скорости ветра, воздушную турбину и генератор постоянного тока со стабилизатором электродвижущей силы, отличающаяся тем, что в ней последовательно включены усилитель скорости ветра, двухступенчатая воздушная турбина и электрогенератор постоянного тока со стабилизатором электродвижущей силы. 2. Ветротурбинная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что усилитель скорости ветра состоит из 2-х конусов внешнего и внутреннего, расположенных навстречу друг другу своими вершинами и сжимающими воздушный поток, увеличивая скорость ветра. 3. Ветротурбинная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что воздушная турбина состоит из 2-х последовательных ступеней, причем первая ступень работает на ламинарный воздушный поток, а вторая - на вихревой. 4. Ветротурбинная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что для получения максимального вращающегося момента на валах роторов ступеней лопатки (лопасти) роторов располагаются под углом 45^o к оси вращения, а по отношению ступеней под углом 90^o. 5. Ветротурбинная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что для согласования направления вращения роторов ступеней и соосности валов роторов между ступенями предусмотрен согласующий редуктор с 3-мя зубчатыми зацеплениями. 6. Ветротурбинная электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в стабилизаторе электродвижущей силы предусмотрено устройство, формулирующее текущее значение ЭДС, состоящее из нелинейного элемента, входом в который является ток возбуждения, а выходом-сигнал, пропорциональный магнитному потоку и множительного элемента, в который входят сигналы от нелинейного элемента и от датчика угловой скорости (тахогенератора), а выходом - напряжение, равное ЭДС, которое сравнивается с заданным, и отклонение подается в блок управления током возбуждения генератора.