Способ повышения эффективности отбора мощности из ветро- и гидропотоков и гибридная электростанция для его осуществления Российский патент 2020 года по МПК F03D3/00 F03D9/25 F03B13/00 

Группа изобретений относится к энергомашиностроению и, в частности, к гибридным многофункциональным комплексам производства электроэнергии и может быть использовано для энергообеспечения промышленных предприятий, фермерских хозяйств, населенных пунктов, расположенных в прибрежных зонах стоков из крупных водоемов, озер или островов, омываемых морскими потоками.

Известен способ максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразования ее в электрическую энергию и устройство для его осуществления по патенту RU 2297549 C2, 20.04.2007, который реализуется торможением воздушного потока, с целью повышения потенциала напора воздуха в кинетическую энергию струй и приведения во вращение ротора электрогенератора, снабженного устройством управления внешней нагрузкой на генератор, а также совершением работы по преобразованию энергии потока в электрическую энергию, при этом отбор кинетической энергии потока воздуха осуществляют реактивной турбиной, а в качестве электрогенератора используют осевой синхронный многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением, который выполнен осевым, синхронным и многополюсным с внешним возбуждением, установленным на платформе и кинематически связанным с турбиной через шкив ременной передачей, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор снабжено датчиком измерения величины аэродинамического давления перед турбиной.

Недостатком данного способа является структурная неоднородность потока с переменными аэродинамическими характеристиками, поскольку движение воздуха в узком межлопаточном просвете становится вынужденно ламинарным, что приводит к потере мощности потока и естественно к снижению эффективности передачи мощности на вал турбины.

Недостатком устройства, реализующего данный способ является создание механического узла турбулизации потока в виде, например, перфорированной перегородки, сетки и т.п. после которой достигается турбулизация, что приводит к потери мощности потока через его прохождение через искусственный источник сопротивления, что также снижает эффективность отбора мощности из потока.

Известна также многофункциональная автономная гибридная электрозарядная станция по патенту RU 2534329 C2, 27.11.2014, предназначенная для выработки электроэнергии с целью электрической зарядки гибридных, электрических и имеющих маховичные накопители энергии автомобилей и может быть использована в качестве автономной электростанции в интересах бытовых и производственных потребителей, а также обеспечения мониторинга погоды и состояния окружающей среды. Устройство содержит круговой криволинейный конфузор-завихритель, тепловой насос, тандемные фотосолнечные модули, внутреннюю ветроэнергетическую установку с лопастями встречного вращения, осветительный гелиопрожектор, аккумуляторы и датчики температуры и света.

Недостатком автономной гибридной электрозарядной станции является значительная зависимость эффективности производства электроэнергии от сезонных и погодных условий, количества активных солнечных дней. Недостатком также является то, что ветроэнергетическая установка, расположенная внутри конфузора работает только в восходящем потоке конфузора и ее эффективность существенно не зависит от скорости воздушных потоков открытого воздушного бассейна.

Известно применение дирижабля с ветряной электростанцией в качестве многофункциональной башни по патенту RU 2494206 C1, 27.09.2013, содержащей площадку с оборудованием ветряной электростанции, систему канатной стабилизации тремя крепежными канатами к подготовленному бетонному фундаменту, через три электрические лебедки, установленные в вершинах равностороннего треугольника на земле и рассчитанные с запасом, для удержания дирижабля на одном креплении, вращающийся стандартный крепежный узел, который располагается снизу на установочной для оборудования площадке, оборудование крепится разъемным креплением и располагается в горизонтальной и вертикальной проекциях, по мере необходимости такого расположения, электроснабжение оборудования, сигнальных огней и подъемных лебедок осуществляется за счет электрических аккумуляторов, заряжаемых ветряной электростанцией, кинематический соединенной с генератором и электрически соединенной с аккумуляторной батареей и потребителями электроэнергии.

Недостатком данного технического решения является сложность сервисного обслуживания энергетического и механического оборудования: дирижабль необходимо приземлить, а для данной цели требуется так называемая причально-стартовая команда, составляющая от 2 до 6 человек, кроме того, дирижабли требуют создания узкоспециализированной и крайне дорогостоящей инфраструктуры для их эксплуатации и ремонта, они зависят от погодных условий и ураганов, таким образом повышаются затраты на обслуживание, что снижает экономическую эффективность использования дирижабля в качестве несущей конструкции ветряных электростанций.

Известно рабочее колесо гидроагрегата по патенту RU 2148183 C1, 27.04.2000, которое предназначено для преобразования энергии гидравлического потока и ветра в электроэнергию, содержащее ступицу и закрепленные на ней складывающиеся лопасти с полостями, которые выполнены из эластичного материала, в форме лепестков чашеобразной формы в сечении, при этом внешняя часть лопасти выполнена утолщенной, а внутренняя - в виде диафрагмы; полости в лопастях образованы каналами, соединенными между собой эластичным коллектором, а канал одной лопасти соединен с коллектором лопасти, занимающей диаметрально противоположное положение, посредством каналов, выполненных в ступице. Каналы заполнены жидкостью суммарным объемом полостей, соответствующим объему двух лопастей, одна из которых находится в свернутом положении, что позволяет повысить КПД, надежность и долговечность.

Недостатками данного технического решения, принятого в качестве прототипа, является инерционность развертывания лопастей, что делает невозможных его эксплуатацию при больших оборотах и снижает эффективность отбора мощности.

Задачей группы изобретений является разработка способа повышения эффективности отбора мощности из ветро- и гидропотока и создание гибридной электростанции для реализации этого способа с использованием универсального оборудования, работающего в наиболее предпочтительных режимах ветро- или гидросистемы.

Сущность первого независимого пункта заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению способ повышения эффективности отбора мощности из ветро- и гидропотоков, содержащий ориентацию турбины параллельно ветропотоку, характеризуется тем, что в соответствии со скоростными показателями ветропотока и его направленности турбину устанавливают в зоне максимальной скорости ветра, по показанию румбометра весь комплекс сервоприводом устанавливают параллельно направлению ветропотока, который блоком постоянных магнитов направляют на активную открытую рабочую лопасть турбины, вращение вала которой передают на приводной вал генератора, соединенного с нагрузкой, при этом при отсутствии ветра или низких его скоростных показателях, турбину переводят в подводное положение и устанавливают параллельно оси гидропотока.

Сущность второго независимого пункта заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.

Гибридная электростанция для осуществления способа повышения эффективности отбора мощности из ветро- и гидропотоков включает универсальное рабочее колесо гибридной ветро - гидротурбины, выполненное с переменным центром масс, содержащее ступицу и закрепленные на ней складывающиеся лопасти с полостями, которые выполнены из эластичного материала, в форме лепестков чашеобразной формы в сечении, при этом внешняя часть лопасти выполнена утолщенной, а внутренняя - в виде диафрагмы, а полости в лопастях образованы каналами, соединенными между собой эластичным коллектором, при этом канал одной лопасти соединен с коллектором другой лопасти, занимающей диаметрально противоположное положение, посредством каналов, выполненных в ступице, при этом каналы заполнены ферромагнитной жидкостью суммарным объемом, соответствующим объему двух лопастей, одна из которых находится в свернутом положении, кроме того турбина снабжена блоком формирования элементов потока с кассетой постоянных магнитов, установленных в зоне горизонтальной оси турбины под углом к потоку, при этом корпус турбины установлен подвижно на вертикальной колонне и соединен тросом с тельфером, установленным на горизонтальной площадке вертикальных колонн, которая снабжена системой канатной стабилизации, выполненной в виде трех крепежных канатов, одними концами прикрепленными к платформе с возможностью поворота платформы с колоннами, а другими концами прикрепленными к бетонному фундаменту, при этом вал турбины соединен с валом капсульного генератора, установленным соосно с валом турбины, а вертикальные опорные колонны установлены на платформе, которая выполнена с возможностью вращения вокруг оси посредством приводного механизма, кинематически соединенного с сервоприводом, при этом основание опорных колонн закреплено анкерами к бетонному фундаменту.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает получение технического результата, который заключается в том, что обеспечивается повышение эффективности отбора мощности из ветро-гидропотоков гибридной электростанции за счет возможности выбора наиболее выгодных режимов ее эксплуатации либо в режиме ветроэнергетической установки при наличии высокой скорости ветра, а при его отсутствии - в режиме гидроэнергетической установки. Кроме того, обеспечивается повышение надежности работы гибридной электростанции за счет перехода в гидрорежим при ураганном ветре.

Сущность группы изобретений поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид заявленной гибридной электростанции в режиме ветроэнергетики, на фиг. 1.1 - тоже, но в режиме гидроэнергетики: турбина погружена в акваторию стока или потока, на фиг. 2 - разрез по А-А, на фиг 3 - вид I фиг. 1 (укрупненное изображение рабочего колеса), на фиг. 4 сечение Б-Б - фигуры 3 (конструктивное оформление эластичных лопастей рабочего колеса)

На фиг. 1. приведено положение гибридной электростанции в режиме ветроэнергетики, на фиг 1.1. приведено положение гибридной электростанции в режиме гидроэнергетики, где изображена турбина с рабочим колесом 1 с переменным центром масс в корпусе турбины 2. В зоне образования окна потока установлена кассета постоянных магнитов, под углом к потоку, выполняя одновременно функцию направляющей 3 потока (и направляющую 22 на фиг. 3), которая в соответствии со скоростными показателями ветропотока и его направленности турбину устанавливают в зоне максимальной скорости ветра, по показанию румбометра весь комплекс сервоприводом устанавливают параллельно направлению ветропотока, параметры которого формируются направляющим блоком с постоянными магнитами, взаимодействующими с ферромагнитной жидкостью, находящейся в полости пассивной лопасти и что приводит ее в активную форму, воспринимающую энергию потока и осуществляющую вращение рабочего вала, которой передает мощность на приводной вал генератора, соединенного с нагрузкой, при этом при отсутствии ветра или низких его скоростных показателях, турбину переводят в подводное положение и устанавливают параллельно оси гидропотока.

Турбина установлена посредством направляющих 4 на вертикальных колоннах 5, установленных на поворотной платформе 6 неподвижно. Платформа 6 снабжена поворотным механизмом с сервоприводом 7 и установлена на опорной фундаментной платформе 8. Кроме того, турбина установлена на вертикальных колоннах с возможностью вертикального перемещения, с целью функционального изменения с ветроэнергетического на гидроэнергетический режим, посредством тельфера 9 либо другого грузоподъемного устройства, установленного на верхней платформе 10, с датчиком положения турбины (условно здесь не показанным). Платформа 10 стабилизирована канатной системой 11, установленной подвижно в платформе 10 по окружности через сферические направляющие 12. На платформе 10 установлен также анеморумбометр. Капсульный генератор 14 установлен на направляющих колоннах соосно с приводным валом турбины 15. Генератор снабжен нагрузочным устройством 16. Устройство снабжено вертушкой гидрометрической 17. Гибридная электростанция снабжена коммутирующим блоком 18 и распределительным щитом 19.

Гибридная электростанция работает следующим образом.

По замеру анеморумбометром 12 скоростных показателей ветра и его направленности турбина 1 устанавливается в зоне максимальной скорости ветра тельфером 9 (либо другим грузоподъемным устройством), по показанию румбометра 12 весь комплекс сервоприводом 7 устанавливается поточным каналом параллельно направлению ветра, который направляющим блоком 22 и постоянными магнитами 3 формируется в поточном канале потоком направленным на активную открытую рабочую лопасть турбины 1, которая, принимая воздействия потока вращает вал турбины и при повороте на 90° ферромагнитная жидкость переливается ко каналу в противоположную лопасть, а в зоне расположения постоянных магнитов процесс раскрытия лопасти ускоряется. Вращение вала турбины 15 через червячный редуктор, являющейся частью генератора 14, передается на приводной вал последнего и на обмотку которого подается нагрузка, происходит возбуждение обмоток и подается электричество на коммутационное устройство 18 и через распределительный щит 19 обеспечивается передача электричества потребителям.

При отсутствии ветра или низких его показателях, когда эффективность работы ветротурбины значительно снижается либо опасна, гибридная электростанция переводится в режим гидростанции, путем погружения турбины 1 в подводное положение тельфером (либо другим грузоподъемным устройством), с учетом показателей вертушки гидрометрической 17 и установкой турбины сервоприводом параллельно оси потока. Производство электроэнергии реализуется по ранее описанному алгоритму. Обеспечение систем приводов и управления осуществляется аккумуляторной батарей включенной в электрическую цепь генератора, условно здесь не показанной.

Для повышения эффективности отбора мощности из ветро- гидропотока гибридной электростанции реализуется комплексными мероприятиями эксплуатации универсального оборудования в наиболее предпочтительных режимах ветро- или гидросистемы.

Основная проблема гибридных электростанций - их суммарная стоимость и низкая эффективность вкладываемых средств, что объясняет очень ограниченное их распространение, кроме того, с точки зрения теории надежности чем сложней механизм, тем выше вероятность отказа одного из его элементов. Велики и многообразны факторы, влияющие на эксплуатационные режимы гибридной электростанции: 1) погодно-сезонные условия замерзание водоемов, переменный режим стока реки до полного его исчезновения; 2) переменные ветровые режимы, как по времени, так и по пространственному положению в зависимости от геологии поверхности, от расстояния от земной поверхности, от температуры прогревания поверхности земли; 3) от продолжительности солнечных и пасмурных дней, от влажности окружающей среды. Суммарное влияние данных факторов существенно влияет на эффективность отбора мощности из ветро- гидропотоков гибридной электростанции.

Диапазон скоростей ветра для работы турбины определяется диапазоном от 5 до 25 м/с, однако скорости ветра достигают значений при урагане до 50 м/с, что является катастрофой для ветроэлектростанции, наличие в предлагаемом техническом решении изменения вертикального перемещения турбины по колоннам позволяет не только выбрать наиболее эффективный режим работы турбины в процессе эксплуатации по скорости ветра, но и предотвратить катастрофу при урагане, переведя турбину не только из опасной зоны, но и переведя турбину в режим гидроэнергетический, погружая ее в акваторию водного потока, что позволяет значительно повысить эффективность работы гибридной электростанции.

Заявленная гибридная электростанция, ориентированная на экваториальное расположение в зоне мощных активных стоков, например, сток реки Нева из Ладожского озера или сибирские стоки больших рек, узких морских проливов с активным течением, в том числе приливным, где имеет место также сезонные ветры.

Заявленные способ повышения эффективности отбора мощности из ветро- и гидропотоков и гибридная электростанции могут быть реализованы с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.

Группа изобретений относится к энергомашиностроению, и в частности к гибридным многофункциональным комплексам производства электроэнергии. Турбину 2 устанавливают в зоне максимальной скорости ветра. По показанию румбометра весь комплекс сервоприводом устанавливают параллельно направлению ветропотока, который блоком постоянных магнитов 3 направляют на активную открытую рабочую лопасть турбины 2, вращение вала которой передают на приводной вал генератора 14, соединенного с нагрузкой. При отсутствии ветра или низких его скоростных показателях турбину 2 переводят в подводное положение и устанавливают параллельно оси гидропотока. Группа изобретений направлена на обеспечение повышения эффективности отбора мощности из ветро-гидропотоков гибридной электростанции за счет возможности выбора наиболее выгодных режимов ее эксплуатации либо в режиме ветроэнергетической установки при наличии высокой скорости ветра, а при его отсутствии - в режиме гидроэнергетической установки. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ повышения эффективности отбора мощности из ветро- и гидропотоков, содержащий ориентацию турбины параллельно ветропотоку, отличающийся тем, что в соответствии со скоростными показателями ветропотока и его направленности турбину устанавливают в зоне максимальной скорости ветра, по показанию румбометра весь комплекс сервоприводом устанавливают параллельно направлению ветропотока, который блоком постоянных магнитов направляют на активную открытую рабочую лопасть турбины, вращение вала которой передают на приводной вал генератора, соединенного с нагрузкой, при этом при отсутствии ветра или низких его скоростных показателях, турбину переводят в подводное положение и устанавливают параллельно оси гидропотока.

2. Гибридная электростанция для осуществления способа повышения эффективности отбора мощности из ветро- и гидропотоков, включающая универсальное рабочее колесо гибридной ветро-гидротурбины, выполненное с переменным центром масс, содержащее ступицу и закрепленные на ней складывающиеся лопасти с полостями, которые выполнены из эластичного материала, в форме лепестков чашеобразной формы в сечении, при этом внешняя часть лопасти выполнена утолщенной, а внутренняя - в виде диафрагмы, а полости в лопастях образованы каналами, соединенными между собой эластичным коллектором, при этом канал одной лопасти соединен с коллектором другой лопасти, занимающей диаметрально противоположное положение, посредством каналов, выполненных в ступице, отличающаяся тем, что каналы заполнены ферромагнитной жидкостью суммарным объемом, соответствующим объему двух лопастей, одна из которых находится в свернутом положении, кроме того турбина снабжена блоком формирования элементов потока с кассетой постоянных магнитов, установленных в зоне горизонтальной оси турбины под углом к потоку, при этом корпус турбины установлен подвижно на вертикальной колонне и соединен тросом с тельфером, установленным на горизонтальной площадке вертикальных колонн, которая снабжена системой канатной стабилизации, выполненной в виде трех крепежных канатов, одними концами прикрепленными к платформе с возможностью поворота платформы с колоннами, а другими концами прикрепленными к бетонному фундаменту, при этом вал турбины соединен с валом капсульного генератора, установленным соосно с валом турбины, а вертикальные опорные колонны установлены на платформе, которая выполнена с возможностью вращения вокруг оси посредством приводного механизма, кинематически соединенного с сервоприводом, при этом основание опорных колонн закреплено анкерами к бетонному фундаменту.