ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ Российский патент 2019 года по МПК F03D3/04 F03D7/00 

Изобретение относится к области ветроэнергетики.а именно для получения электрической энергии и энергии воздушного потока (ВП).

В разделе уровня техники рассмотрим известную "Всенаправленную" турбину IMPLUX (Инновационная ветряная турбина IMPLUX http://gizmod.ru/201l/05/19/innovacionnaya-vetryanaya-turbina-implux/2011 г по Фиг. 1), принятую нами за аналог. Турбина призвана заполнить вполне определенную нишу на рынке - целесообразна ее установка на офисных, высотных зданиях, зданиях промышленного и коммерческого использования. В отличие от других подобных устройств турбина, получившая название IMPLUX, способна «договориться» с ВП любой направленности, как и многие известные ветротурбины с вертикальным валом. Горизонтально ориентированные лопасти ее приводятся в движение восходящим ВП. Собственно, центральная камера турбины сконструирована так, чтобы улавливать ВП любой направленности и с ускорением проталкивать его наверх, не давая ВП пролететь устройство насквозь. Конструкцию, благодаря которой турбина «не отдает» улавливаемый ветер, названа «динамическим пневматическим шлюзом» (fluid dynamic gate). Горизонтально ориентированные лопасти ее приводятся в движение восходящим ВП. Собственно, центральная камера сконструирована так, чтобы улавливать ВП любой направленности, проталкивать его наверх, не давая ВП пролететь устройство насквозь. В результате имеем турбину с одной-единственной движущейся частью (ротором). Это снижает эксплуатационные расходы, а также делает работу IMPLUX более тихой (по сравнению с обычными горизонтальными турбинами с роторами тех же размеров). К тому же в отличие от большинства ветротурбин IMPLUX безопасен для птиц. Наряду с очевидными достоинствами ветротурбина IMPLUX имеет ряд недостатков. Часть ВП проходит через боковые щели камеры, уменьшая рабочий ВП. Кроме того, поворот ВП на 90 градусов ведет к значительной потере его энергии. В современных ВЭУ используются различные устройства, направляющие ВП, уплотняющие ВП попадающий на лопасти турбин, а также осуществляется оптимизация положения этих лопастей относительно вектора ВП в процессе их движения по круговой траектории.В данной турбинке не внедрены эти последние новации ветроэнергетики, что существенно снижает ее эффективность.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, была разработанная в России Ветроэлектростанция (Селезнев Н.В. Ветроэлектростанция. Фиг. 2, Патент RU №2285147 С1, F03D 03/00, опубликовано: 10.10.2006.) Это изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для строительства ветроэлектростанций. Ветроэлектростанция содержит электрогенератор, соединенный вертикальным валом с горизонтальным ветроколесом, размещенным в вертикальной трубе, и концентратор ВП. При этом концентратор ВП выполнен в виде двух усеченных многогранных пирамид, расположенных вершинами друг против друга. Пирамиды по их ребрам соединены между собой трапецеидальными стенами, образующими радиально расположенные каналы, сужающиеся от периферии к центру. Между стенами установлены двустворчатые двери и контактирующие с ними пружинные упоры. Мощность данной электростанции выше мощности обычной электростанции, не имеющей концентратора ВП, при одинаковых размерах ветроколеса. Это объясняется тем, что в обычной электростанции энергия ВП используется только с вертикальной площади, равной площади ветроколеса ("ометаемая площадь"), а в данной электростанции энергия ВП используется с вертикальной площади наружной части канала концентратора, которая в несколько раз больше площади ветроколеса. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности работы ветроэлектростанций, обеспечивается за счет того, что в ветроэлектростанций, содержащей электрогенератор, соединенный вертикальным валом с горизонтальным ветроколесом, размещенным внутри трубы, сопряженной с концентратором воздушного потока, согласно изобретению концентратор воздушного потока выполнен в виде двух усеченных многогранных пирамид, расположенных вершинами друг против друга и соединенных между собой по их ребрам трапецеидальными стенами, между которыми установлены двустворчатые двери с возможностью поворота их в разные стороны и контактирующие с ними пружинные упоры. Так, например, при отношении вертикальной площади канала к площади ветроколеса, равном 10, и с учетом потерь на преодоление ВП сил трения на 30% ветроколесо получит энергии примерно в 7 раз больше, чем при его открытом состоянии. В зависимости от размеров ветроколеса и концентратора ВП данная ветроэлектростанция может достигать мощности 5-10 тысяч киловатт. Оценим размеры данной ветроэлектростанция мощностью 60 квт, в соответствии с известной реальной ветроустановкой. Condor Air - 60 кВт (модель CONDOR AIR WES 380/50-60) - это высокотехнологичный ветрогенератор с горизонтальной осью вращения разработанный специалистами компании «EDS Group» и адаптированный для работы в российских климатических условиях. Старт ветроустановки осуществляется при скорости ветра от 2,5 м/с, а на номинал ВЭУ «CONDOR AIR» 60 кВт выходит при 9 м/с, что позволяет использовать их в регионах со слабым и средними ветром. Диаметр ветроколеса-17,5 метра. Площадь ветроколеса (ометаемая площадь) - 240 кв.метров, тогда вертикальная площадка каждого канала должна быть 2400 кв. метров, т.е огромные размеры при небольшой мощности, а при 10 тыс. квт только одна из нескольких площадок каналов должна быть 2400 кв. метров X 167=400000кв. метров, т.е достигать контрпродуктивных, планетарных размеров. Следовательно, рекомендации по конструкции ветроэлектростанций нереальны, ошибочны. Кроме больших размеров и металоемкости, больших материальных затрат недостатком прототипа является использование типового пропеллера, эффективного только при больших скоростях ВП и больших оборотах. При этом проявляются основные недостатки классических пропеллерных установок. Малая поверхность лопасти, а как следствие этого - начальный крутящий момент близок к нулю, и поэтому запуск таких ветротурбин затруднен. Скорость концов лопастей при сильном ВП может приближаться к скорости звука, создавая шум как у винтомоторного самолета и помехи для электронных устройств. Надежность устройства невысока, требования к прочности материалов высока, а экологические характеристики отрицательные.

Нашей технической задачей является создание простой и надежной конструкции ветроэлектростанций (В), которая начинает работать от малых скоростей ВП, ее конструкция обеспечивает выполнение основных требований по экологии и максимально возможный съем энергии ВП за счет оптимизации угла атаки аэродинамических крыльев бицилиндрической турбины и значительной площади крыльев. При этом реализуется максимальная скорость вращения главного вала турбины при конкретных текущих значениях скорости ВП и нагрузки на валу генератора, минимизируется металлоемкость и материальные затраты на 1квт установленной мощности, расширяется рабочий диапазон скоростей ВП.

Общий вид В дан на Фиг. 3. где 1-внешний цилиндр бицилиндрической турбина на вертикальном валу, 2-узел центрирующих роликов, 3-малая створка, 4-большая створка, 5-горизонтальные опорные планки, 6-энергетический выходной узел, 7-нижнее кольцо, 8-верхнее кольцо, 9-мощные вертикальные стержни, 10-троссы натяжения, для поддержания вертикального положения всей конструкции В.

Вид А сверху В по Фиг. 4. где 8-верхнее кольцо воздухосборника, 2-узел центрирующих роликов, 1-внешний цилиндр турбины, 12-внутренний цилиндр турбины, 13-аэродинамические крылья, 16-узел управления поворота лопастей на базе контроллера с экстремальным регулятором оборотов главного вала-22 и серводвигателем на выходе. 17-опорный центральный диск, 18-несущие стержни, жестко соединяющие опорный центральный диск с верхним кольцом-8 воздухосборника. Разработана конструкция воздухосборника по Фиг. 5, 6, бицилиндрической ветротурбины по Фиг. 7, 8, 9 с несколькими аэродинамическими крыльями по Фиг. 10, конического концентратора-30 ВП на Фиг. 8.

Воздухосборник по Фиг. 5 состоит из нижнего-7 и верхнего-8 колец, с симметрично расположенными отверстиями в них, в которых закреплены мощные вертикальные стержни-9. Между стержнями-9 установлены створки-3,4, закрепленные на петлях, а также могут быть при значительных габаритах В закреплены горизонтальные опорные планки-5 для устойчивости, жесткости конструкции воздухосборника.

Вид по разрезу Е-Е на Фиг. 6. Мощные вертикальные стержни-9 закреплены в нижнем кольце-7. 5-горизонтальные опорные планки. 6-энергетический выходной узел В.

Под давлением внешнего ВП по Фиг. 7 малые створки-3 и болыпие-4 отклоняются внутрь воздухозборника на петлях-19, закрепленных на мощных вертикальных стержнях-9. Для ограничения отклонения створок внутрь воздухосборника предусмотрены тяги-20. Створки, находящиеся на противоположной стороне воздухосборника относительно действующего в данный момент ВП, подвергаются давлению ВП изнутри воздухозборника и поворачиваются на петлях-19 до полного закрытия, обеспечиваемого конструкцией петель (раскрытие их до 180 градусов).

Бицилиндрическая турбина по Фиг. 3, 8. где 1-внешний цилиндр турбины, 2-узел центрирующих роликов. На Фиг. 8 даны остальные элементы турбины: 13-аэродинамические крылья, нижняя кромка которых направлена к выходу воздухосборника, 14-оси крыльев, 12-внутренний цилиндр турбины. Оси крыльев пронизывают внешний и внутренний цилиндры, и фиксируются в них подшипниками скольжения, создавая единый цельный механизм, существенно снижающий уровень вибрации, помех и шумов при вращении крыльев-13 турбины В. Оси-14 N крыльев через муфты 14а связаны с N выходных валов конического дифференциального редуктора-21, входной вал которого закреплен к валу серводвигателя из узла управления-16. К корпусу дифференциального редуктора-21 жестко закреплен главный вал турбины-22, который проходит через опорный узел-23, зафиксированный на опорном центральном диске-17, и далее опускается в воздухосборник. (Опорный узел-23 обеспечивает вертикальное положение главного вала турбины-22). Ниже уровня центрального диска-17 главный вал турбины закреплен к входному валу повышающего редуктора-24, а выходной вал последнего- 25 через муфту 26 закреплен к валу 27 электрогенератора-28.

Для повышения надежности конструкция (из повышающего редуктора и генератора) с помощью кожуха-29 фиксируется на нижней стороне центрального диска-17.Повышение скорости ВП, направленного на крылья турбины, осуществляется коническим концентратором-30, также закрепленным на центральном диске-17.

Для повышения устойчивости конструкции бицилиндрической турбины может использоваться узел центрирующих роликов. На Фиг. 9 рассмотрены варианты узла центрирующих роликов-2 для В значительной мощности (с цилиндрическими-31 или усеченной конической формы-32 в зависимости от величины установленной мощности В). Рекомендуется для мощностей более 200 квт - применять цилиндрические ролики, а для мощностей более 500квт-ролики в виде усеченного конуса, причем внешняя сторона верхнего кольца-8 зависит от формы примененных роликов. Там же показаны крылья турбины-13, внешний цилиндр турбины-1, ось роликов-33, узел крепления осей и роликов-34.

На Фиг. 10 по разрезу Д-Д Фиг. 9 показаны аэродинамические крылья-13, оси крыльев-14, ребра жесткости крыльев-15.

При конструировании В использовалась максимально возможная "ометаемая площадь" (от нижнего кольца-7 воздухосборника до верхнего-8). Высота воздухосборника рекомендуется примерно в 2 раза больше диаметра колец 7, 8 для создания эффективной "ометаемой площади". ВП открывает створки на половине воздухосборника с наветренной стороны, причем створки на второй его половине-подветренной стороне - препятствуют выходу ВП из него, так как закрываются под действием петель особой конструкции (раскрытие их до 180 градусов).

ВП из воздухосборника направляется наверх, к бицилиндрической турбине, причем с помощью концентратора-30 ускоренный ВП направляется на крылья-13 турбины. Концентрация ВП на крылья турбины усиливается с помощью внешнего-1 и внутреннего-12 цилиндров, создающих кольцо для продвижения рабочего ВП, взаимодействующего с крыльями. Крылья-13 турбины закреплены на осях-14,начала которых через осевые муфты-14а подсоединены к выходным валам-21а многоосевого дифференциального редуктора -21.Оптимизация положения крыльев (их угла атаки а относительно действующего на них ВП) осуществляется по командам, формируемым узлом управления-16 осей-14 крыльев-13 через многоосевой дифференциальный редуктор-21. Входной вал этого редуктора управляется с помощью серводвигателя из узла управления -16. Узел управления на базе контроллера имеет экстремальный регулятор оборотов главного вала-22 (использует сигналы датчика оборотов электрогенератора), который жестко подсоединен к корпусу редуктора-21 и, пройдя через опорный узел-23 вниз, подсоединен к входному валу повышающего редуктора-24, выходной вал последнего-25 через муфту-26 соединен с валом-27 генератора-28.

Для защиты конструкции В при штормовых ВП, когда обороты главного вала и генератора превышают предельно допустимое значение (определяемое датчиком оборотов электрогенератора-U_пр), в узле управления-16 отключается экстремальный регулятор оборотов главного вала и включается стабилизатор оборотов главного вала, обеспечивающий их предекльно-допустимые значения (U_пр), используя информацию с датчика оборотов электрогенератора. При дальнейшем опасном увеличении скорости ВП стабилизатор поддерживает эти обороты за счет уменьшения угла атаки крыльев (отклоняя их от ранее установленного оптимального положения) вплоть до нулевого значения а.

Таким образом, предлагаемая В позволяет по сравнению с прототипом увеличить "ометаемую площадь", увеличить скорость ВП, попадающего на крылья, оптимизировать угол атаки крыльев относительно вектора действующего на них ВП в процессе работы В, увеличить экологические ее показатели за счет фиксации положения осей крыльев с помощью внешнего и внутреннего цилиндров (снижения вибраций, помех, шумов), а также повысить надежность за счет защиты при штормовых ВП. Указанные преимущества В обеспечивают ей широкое применение.

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Ветроэлектростанция содержит электрогенератор, ветротурбину с аэродинамическими крыльями на вертикальном валу, концентратор воздушного потока, а также включает многоосевой конический дифференциальный редуктор с корпусом, выходными валами и входным валом, узел управления поворота аэродинамических крыльев на базе контроллера с экстремальным регулятором оборотов вертикального вала ветротурбины и серводвигателем, повышающий редуктор. Вертикальный вал ветротурбины подсоединен к корпусу многоосевого конического дифференциального редуктора и через вал повышающего редуктора закреплен к валу электрогенератора. Концентратор воздушного потока состоит из конического концентратора, а также внешнего и внутреннего цилиндров, образующих пространственное кольцо, в котором размещены аэродинамические крылья ветротурбины, жестко подсоединенные к своим осям, пронизывающим внешний и внутренний цилиндры через подшипники качения, эти оси с одной стороны через осевые муфты подсоединены к выходным валам многоосевого конического дифференциального редуктора, а с другой - к узлам крепления осей и роликов. Входной вал многоосевого конического дифференциального редуктора закреплен к валу серводвигателя, а экстремальный регулятор оборотов вертикального вала ветротурбины выполнен с возможностью получения информации с датчика оборотов электрогенератора. Изобретение направлено на максимально возможный съем энергии ветрового потока. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Ветроэлектростанция, содержащая электрогенератор, ветротурбину с аэродинамическими крыльями на вертикальном валу, концентратор воздушного потока, отличающаяся тем, что включает многоосевой конический дифференциальный редуктор с корпусом, выходными валами и входным валом, узел управления поворота аэродинамических крыльев на базе контроллера с экстремальным регулятором оборотов вертикального вала ветротурбины и серводвигателем, повышающий редуктор, при этом вертикальный вал ветротурбины подсоединен к корпусу многоосевого конического дифференциального редуктора и через вал повышающего редуктора закреплен к валу электрогенератора, концентратор воздушного потока состоит из конического концентратора, а также внешнего и внутреннего цилиндров, образующих пространственное кольцо, в котором размещены аэродинамические крылья ветротурбины, жестко подсоединенные к своим осям, пронизывающим внешний и внутренний цилиндры через подшипники качения, эти оси с одной стороны через осевые муфты подсоединены к выходным валам многоосевого конического дифференциального редуктора, а с другой - к узлам крепления осей и роликов, причем входной вал многоосевого конического дифференциального редуктора закреплен к валу серводвигателя, а экстремальный регулятор оборотов вертикального вала ветротурбины выполнен с возможностью получения информации с датчика оборотов электрогенератора.

2. Ветроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что содержит стабилизатор оборотов вертикального вала ветротурбины.

3. Ветроэлектростанция по п. 1, отличающаяся тем, что ролики выполнены цилиндрическими или в виде усеченного конуса.