Ветроэнергетическая установка

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам, работающим в условиях нестабильности ветра и аккумулирующим часть ветровой энергии для последующего использования ее в периоды безветрия. Технический результат заключается в повышении компактности систем, аккумулирующих ветровую энергию, уменьшении потерь энергии, оптимизации нагрузки ветродвигателя, интенсификации процесса отвода тепла от устройства для сжижения воздуха или азота и достигается тем, что устройство содержит ветродвигатель и рабочую машину, кинематически соединенные между собой, воздушный контур, включающий в себя энергетически подключенное к ветродвигателю в качестве потребителя энергии устройство для сжижения воздуха или азота с теплоотводящим блоком, хранилище жидких воздуха или азота, привод, кинематически соединенный с рабочей машиной, и теплоприемник, термически связанный с окружающей средой. В воздушный контур между хранилищем жидких воздуха или азота и приводом введен дозатор, при этом привод выполнен в виде объемного пневматического двигателя, соединенного с теплоприемником, термически связанным с окружающей средой, а сама установка дополнительно содержит регулятор производительности устройства для ожижения воздуха или азота. 9 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергетическим установкам, работающим в условиях значительной нестабильности ветра и аккумулирующих часть ветровой энергии для последующего использования ее в периоды безветрия.

Известна ветроэнергетическая установка, которая для аккумулирования ветровой энергии снабжена воздушным компрессором и резервуаром для хранения сжатого воздуха в качестве аккумулятора запасаемой энергии. Последующее преобразование запасенной энергии в полезную работу производит за счет всплывания подсоединенного к рабочей машине поплавка, в полость которого поступает воздух из резервуара для хранения сжатого воздуха, вытесняя из нее жидкость (патент РФ N 2010106, 30.03.94, F 03 D 9/02).

В известной ветроэнергетической установке давление сжатого воздуха, необходимое для вытеснения жидкости из полости поплавка, определяется высотой столба жидкости в бассейне с поплавком и в реальных условиях не может превышать нескольких атмосфер. Для того, чтобы при таком давлении сжатого воздуха аккумулировать значительную энергию необходим соответствующий по объему резервуар для сжатого воздуха. Если же, уменьшив резервуар, увеличить давление в нем, то возрастает энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха, и аккумулирование энергии при этом может стать энергетически невыгодным. Таким образом, очевидная громоздкость резервуара или возможная энергетическая невыгодность аккумулирования энергии при более высоком давлении в резервуаре, а также громоздкость самого поплавкового преобразователя запасенной энергии в полезную работу являются существенными недостатками известного технического решения.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель и рабочую машину, кинематически соединенные между собой, воздушный контур, включающий в себя энергетически подключенные к ветродвигателю в качестве потребителя энергии устройство для ожижения воздуха или азота с теплоотводящим блоком, хранилище жидких воздуха или азота, привод, кинематически соединенный с рабочей машиной, и теплоприемник, термически связанный с окружающей средой (SU 1710824 A1, 07.02.92, F 03 D 9/02).

Данное известное устройство принято за прототип.

К основным недостаткам известного устройства можно отнести следующее. Примененное в устройстве аккумулирование тепловой энергии в специальной охлаждающей среде требует наличия большого количества этой среды и, как следствие, громоздких резервуаров для ее хранения. Кроме того, эта среда должна иметь более высокую температуру по сравнению с температурой окружающей среды, иначе не произойдет никакого дополнительного энергетического полезного эффекта. Поэтому неизбежно повысится температура охлажденного этой средой сжатого воздуха, так как он не может быть холодней охлаждающей его специальной среды. В результате этого упадет производительность ожижителя воздуха по сравнению с возможным охлаждением сжатого воздуха окружающей средой. В прототипе отсутствует эффективный преобразователь запасенной энергии в полезную работу, а также невозможно передавать в воздушный контур оптимальное количество энергии при изменениях силы ветра или нагрузки на электрогенератор, являющийся в данном случае, рабочей машиной. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрен механизм изменения наклона лопастей ветродвигателя, что снижает его надежность при чрезмерном увеличении скорости ветра. К тому же, отсутствие системы, управляющей всеми элементами известного устройства, ухудшает его энергетические параметры.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в повышении компактности систем, аккумулирующих ветровую энергию, увеличении коэффициента преобразования запасенной энергии в полезную работу, уменьшении потерь энергии, связанных с доставкой жидких воздуха или азота к приводу, оптимизации нагрузки ветродвигателя, увеличении энергоотдачи устройства, интенсификации процесса отвода тепла от устройства для ожижения воздуха или азота, а также в осуществлении защиты устройства от ветровой перегрузки.

Для достижения данного технического результата в ветроэнергетической установке, содержащей ветродвигатель и рабочую машину, кинематически соединенные между собой, воздушный контур, включающий в себя энергетически подключенное к ветродвигателю в качестве потребителя энергии устройство для ожижения воздуха или азота с теплоотводящим блоком, хранилище жидких воздуха или азота, привод, кинематически соединенный с рабочей машиной, и теплоприемник, термически связанный с окружающей средой, согласно изобретению в воздушный контур между хранилищем жидких воздуха или азота и приводом введен дозатор, при этом привод выполнен в виде объемного пневматического двигателя, который посредством теплоприемника термически соединен с окружающей средой, а сама установка дополнительно содержит регулятор производительности устройства для ожижения воздуха или азота.

Регулятор производительности устройства для ожижения воздуха или азота выполнен в виде трансмиссии с изменяемым передаточным числом, кинематически включенной между ветродвигателем и устройством для ожижения воздуха или азота. Рабочая машина выполнена в виде электрогенератора.

Регулятор производительности устройства для ожижения воздуха или азота выполнен в виде электропривода с изменяемой частотой вращения, при этом электропривод электрически подключен к электрогенератору и кинематически связан с устройством для ожижения воздуха или азота.

Устройство для ожижения воздуха или азота выполнено в виде системы параллельно включенных в воздушный контур ожижителей воздуха или азота.

Регулятор производительности устройства для ожижения воздуха или азота выполнен в виде блока раздельного включения ожижителей воздуха или азота, кинематически связанного с ожижителями воздуха или азота и энергетически подключенного к ветродвигателю. Теплоотводящий блок устройства для ожижения воздуха или азота термически связан с окружающей средой.

Кинематическая связь рабочей машины с ветродвигателем и объемным пневматическим двигателем выполнена в виде муфт свободного хода со стороны рабочей машина.

Ветродвигатель снабжен регулятором угла наклона его лопастей.

Установка снабжена системой управления, содержащей блок управления, подсоединенные к нему датчики частоты вращения рабочей машины, частоты вращения ветродвигателя, скорости ветра, уровня жидких воздуха или азота в хранилище жидких воздуха или азота, при этом блок управления может быть подсоединен своими выходами к регулятору производительности устройства для сжижения воздуха или азота, к дозатору и регулятору угла наклона лопастей ветродвигателя.

Изобретение поясняется следующими чертежами: фиг. 1 - функциональная схема ветроэнергетической установки, фиг. 2-5 - варианты выполнения ветроэнергетической установки и ее узлов, а именно, фиг. 2 - энергетическая связь между ветродвигателем и устройством для ожижения воздуха или азота через рабочую машины; регулятор - в виде трансмиссии; фиг. 3 - рабочая машина - электрогенератор, регулятор в виде электропривода; фиг. 4 - параллельно включенные ожижители воздуха или азота, регулятор - в виде блока раздельного включения ожижителей; фиг. 5 - система управления ветроэнергетической установкой.

Ветроэнергетическая установка содержит ветродвигатель 1, рабочую машину 2, кинематически соединенные между собой, а также устройство 3 для ожижения воздуха или азота с теплоотводящим блоком 4, хранилище 5 жидких воздуха или азота, дозатор 6, привод, выполненный в виде объемного пневматического двигателя 7, теплоприемник 8, термически связанный с окружающей средой, при этом объемный пневматический двигатель 7, кинематически соединен с рабочей машиной 2, вход дозатора 6 соединен с хранилищем 5 жидких воздуха или азота, выход дозатора 6 подсоединен к объемному пневматическому двигателю 7, который посредством теплоприемника 8 соединен с окружающей средой.

В кинематическую связь между ветродвигателем 1 и рабочей машиной 2 может быть введено согласующее устройство, например, мультипликатор 9.

Энергетическая связь между ветродвигателем 1 и устройством 3 для ожижения воздуха или азота может быть осуществлена как через мультипликатор 9 (фиг. 1); так и через рабочую машину 2 (фиг. 2). В ветроэнергетическую установку может быть введен регулятор 10 производительности устройства 3 для ожижения воздуха или азота. Регулятор 10 может быть выполнен в виде трансмиссии с изменяемым передаточным числом, имеющей в своей основе, например, зубчатую или цепную передачи, и кинематически включенной в воздушный контур перед устройством 3 для ожижения воздуха или азота и ветродвигателем 1.

Рабочая машина 2 может быть выполнена в виде электрогенератора 11 (фиг. 3). В этом случае регулятор 10 производительности устройства 3 для ожижения воздуха или азота может быть выполнен в виде электропривода 12 с изменяемой частотой вращения, электрически подключенного к электрогенератору 11 и кинематически связанного с устройством 3 для ожижения воздуха или азота.

Устройство 3 для ожижения воздуха или азота может быть выполнено в виде системы параллельно включенных ожижителей 13 воздуха или азота (фиг. 4), при этом каждый из ожижителей 13 связан по тепловому потоку с окружающей средой через теплоотводящий блок 4. В этом случае регулятор 10 производительности устройства 3 для ожижения воздуха или азота может быть выполнен в виде блока 14 раздельного включения ожижителей 13, кинематически связанного с ними и энергетически подключенного к ветродвигателю 1 (фиг. 4).

Кинематическая связь рабочей машины 2 с ветродвигателем 1 и объемным пневматическим двигателем 7 может быть выполнена в виде муфт 15 свободного хода со стороны рабочей машины 2. Это означает что рабочая машина 2 не может с помощью муфт 15 передавать вращение к ветродвигателю 1 и объемному пневматическому двигателю 7, а обратное направление передачи вращения муфты 15 обеспечивают.

Ветродвигатель 1 может быть снабжен регулятором 16 угла наклона его лопастей.

В ветроэнергетическую установку может быть введена система управления, содержащая блок 17 управления, датчик 18 частоты вращения рабочей машины 2, датчик 19 частоты вращения ветродвигателя 1, датчик 20 скорости ветра, датчик 21 уровня жидких воздуха или азота в хранилище жидких воздуха или азота, при этом блок 17 управления своими выходами может быть подсоединен к регулятору 10 производительности, к дозатору 6 и к регулятору 16 угла наклона лопастей ветродвигателя 1 (фиг. 5).

Ветроэнергетическая установка работает следующим образом.

Ветродвигатель 1 выполнен с запасом по мощности по сравнению с мощностью рабочей машины 2 для номинальной (ожидаемой) скорости ветра. Тогда при номинальной скорости ветра ветродвигатель 1, работая на опережение по отношению к рабочей машине 2, введет в действие муфту 15, через которую ветродвигатель 1 вращает рабочую машину 2, так как при таком направлении передачи вращения упомянутая муфта 15, через которую ветродвигатель 1 вращает рабочую машину 2, всегда будет включена. Избыточная мощность ветродвигателя 1 при этом, через регулятор 10 производительности будет передаваться к устройству 3 для ожижения воздуха или азота таким образом, чтоб по возможности полностью использовать избыток энергии, вырабатываемой ветродвигателем 1, для производства жидких воздуха или азота, которые накапливаются в хранилище 5 жидкого воздуха или азота. Выделяющаяся в процессе ожижения воздуха или азота тепловая энергия отводится от устройства 3 для ожижения воздуха или азота в окружающую среду с помощью теплоотводящего блока 4 и аккумулируется в этой среде. При снижении скорости ветра снижается мощность в этой среде. При снижении скорости ветра снижается мощность ветродвигателя 1, и соответственно уменьшается количество энергии, которое может быть потрачено на получение жидких воздуха или азота. Эта ситуация отслеживается регулятором 10 производительности устройства 3 для ожижения воздуха или азота до тех пор, пока энергии ветра достаточно для рабочей машины 2. Как только этой энергии становится недостаточно, скорость вращения ветродвигателем 1, приведенная к скорости вращения рабочей машины 2, становится меньше скорости вращения рабочей машины 2, и муфта 15, кинематически соединяющая ветродвигатель 1 с рабочей машиной 2, отключается. При этом начинает функционировать дозатор 6, накопленные в хранилище 5 жидкие воздух или азот поступают к объемному пневматическому двигателю 7. Тепловая энергия окружающей среды через теплоприемник 8 подводится к пневмодвигателю 7, испаряет и нагревает поступившую туда из дозатора 6 порцию жидкого воздуха или азота, переводя ее в газ высокого давления, объемный пневматический двигатель 7 приходит в движение за счет расширения упомянутой порции газа при одновременном поддержании температуры расширяющегося газа путем его постоянного подогрева потоком тепла, непрерывно поступающего к пневматическому двигателю 7 от окружающей среды через теплоприемник 8.

Работа A, которую может совершить порция идеального газа объемом V₁ при начальном давлении P₁ в случае изотермического расширения до атмосферного давления P₂ равна: и для рассматриваемого случая может составить около 0,6 МДж/кг для одного килограмма жидких воздуха или азота. Объемный пневматический двигатель 7, вращаясь, включает муфту 15, расположенную между двигателем 7 и рабочей машиной 2, и приводит в движение рабочую машину 2, расходуя накопленные жидкие воздух или азот, и при этом расходуя тепловую энергию, запасенную в окружающей среде.

Регулировка производительности устройства 3 для ожижения воздуха или азота может производиться путем изменения скорости вращения входного вала этого устройства, т.е. путем изменения количества забираемого из атмосферы воздуха, или же параллельным включением нескольких ожижителей 13 воздуха или азота с помощью блока 14 раздельного включения ожижителей 13. Регулировка мощности объемного пневматического двигателя 7 производится с помощью дозатора 6 за счет изменения среднего количества жидких воздуха или азота, поступающих к двигателю 7.

В случае, если в качестве рабочей машины 2 применен электрогенератор 11, то в качестве регулятора 10 производительности устройства 3 для ожижения воздуха или азота может быть использован регулируемый электропривод 12. Согласование частоты вращения ветродвигателя 1 и рабочей машины 2 производится, например, с помощью мультипликатора 9.

В случае превышения скоростью ветра установленного допустимого уровня регулятор 16 наклона лопастей уменьшает ветровую нагрузку на ветродвигатель 1, защищая его от разрушения. Управление работой всех узлов ветроэнергетической установки осуществляется с помощью системы управления, содержащей блок 17 управления, к которому поступают сигналы от датчика 18 частоты вращения рабочей машины 2, от датчика 19 частоты вращения ветродвигателя 1, от датчика 20 скорости ветра и от датчика 21 уровня жидких воздуха или азота в хранилище 5. В свою очередь блок 17 управления воздействует на регулятор 10 производительности устройства для ожижения воздуха или азота, на дозатор и на регулятор 16 угла наклона лопаток.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет существенно повысить эффективность использования энергии ветра и может найти широкое применение в отсутствии централизованных источников энергоснабжения.

Формула изобретения

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая ветродвигатель и рабочую машину, кинематически соединенные между собой, воздушный контур, включающий в себя энергетически подключенное к ветродвигателю в качестве потребителя энергии устройство для ожижения воздуха или азота с теплоотводящим блоком, хранилище жидких воздуха или азота, привод, кинематически соединенный с рабочей машиной, и теплоприемник, термически связанный с окружающей средой, отличающаяся тем, что в воздушный контур между хранилищем жидких воздуха или азота и приводом введен дозатор, при этом привод выполнен в виде объемного пневматического двигателя, который посредством теплоприемника термически соединен с окружающей средой, а сама установка дополнительно содержит регулятор производительности устройства для ожижения воздуха или азота.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что регулятор производительности устройства для ожижения воздуха или азота выполнен в виде трансмиссии с изменяемым передаточным числом, кинематически включенной между ветродвигателем и устройством для ожижения воздуха или азота.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что рабочая машина выполнена в виде электрогенератора.

4. Установка по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что регулятор производительности устройства для ожижения воздуха или азота выполнен в виде электропривода с изменяемой частотой вращения, при этом электропривод электрически подключен к электрогенератору и кинематически связан с устройством для ожижения воздуха или азота.

5. Установка по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что устройство для ожижения воздуха или азота выполнено в виде системы параллельно включенных в воздушный контур ожижителей воздуха или азота.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что регулятор производительности устройства для ожижения воздуха или азота выполнен в виде блока раздельного включения ожижителей воздуха или азота, кинематически связанного с ожижителями воздуха или азота и энергетически подключенного к ветродвигателю.

7. Установка по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что теплоотводящий блок устройства для ожижения воздуха или азота термически связан с окружающей средой.

8. Установка по любому из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что кинематическая связь рабочей машины с ветродвигателем и объемным пневматическим двигателем выполнена в виде муфт свободного хода со стороны рабочей машины.

9. Установка по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что ветродвигатель снабжен регулятором угла наклона его лопастей.

10. Установка по любому из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что она снабжена системой управления, содержащей блок управления, подсоединенные к нему датчики частоты вращения рабочей машины, частоты вращения ветродвигателя, скорости ветра, уровня жидких воздуха или азота в хранилище жидких воздуха или азота, при этом блок управления подсоединен своими выходами к регулятору производительности устройства для ожижения воздуха или азота, к дозатору и к регулятору угла наклона лопастей ветродвигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5