Ветроэлектростанция

 

Изобретение относится к ветроэнергетике и представляет собой установку для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Технический результат, заключающийся в повышении мощности ветроэлектростанции, обеспечении независимости частоты вращения вала турбины от изменения скорости ветрового потока, обеспечении самоориентации ветроагрегата к ветру, обеспечивается за счет того, что в ветроэлектростанции, содержащей энергоагрегат, имеющий воздушную турбину, механически связанную с генератором, турбинный конфузор, внешнюю оболочку, диффузор, согласно изобретению энергоагрегат снабжен, по крайней мере, двумя дополнительными радиально расположенными конфузорами, имеющими сужающиеся по ходу воздушного потока камеры его сжатия с образованием на выходе каждой из них кольцевого щелевого эжектора, а по оси энергоагрегата в его затурбинном пространстве расположен отражатель эжектирующих потоков, при этом лопасти турбины выполнены расширяющимися в сторону максимального диаметра турбины. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Данное изобретение относится к ветроэнергетике и представляет собой ветроэлектростанцию, то есть установку для преобразования энергии ветра в электрическую энергию.

Известны ветроэнергетические установки, преобразующие кинетическую энергию воздушных потоков путем непосредственного воздействия ветра на лопасти ветроколеса или турбины [1]. Однако они недостаточно эффективны.

Для повышения эффективности ветроэнергетических установок в ряде их конструкций был применен принцип двойного воздействия на турбину ускоренного потока на входе и разрежения со стороны выходного канала [2, 3, 4].

Описанный в [2] ветроагрегат содержит наружный и внутренний конфузоры, сообщенную с ними выбросную трубу, размещенную соосно с внутренним конфузором, и установленную в последнем воздушную турбину, связанную с генератором. Наружный конфузор снабжен внутренними спиральными направляющими и расположен коаксиально начальной части выбросной трубы, в которой выполнены продольные окна, причем направляющие тангенциально примыкают к кромкам окон. Воздушный поток, ускоряясь в каналах, образованных спиральными направляющими, создает разрежение в окнах выбросной трубы и обеспечивает ускоренный выход потока из затурбинного пространства.

Однако такая конструкция не обеспечивает полное использование кинетической энергии эжектирующих потоков и создает в выбросной трубе лишь незначительное разрежение.

Описанная в [3] станция содержит конфузор, турбину, соединенный с ней генератор, расположенные с двух сторон воздухозаборные части ввода внешних воздушных потоков, разделитель потоков, распределяющий входящий воздушный поток по двум каналам - впускному и выпускному, камеру сжатия, в которой расположена турбина, узел отвода воздушного потока за турбиной в зону пониженного давления.

В станции имеет место значительная потеря внутренней энергии потока как во впускном канале, соединенном с камерой сжатия, вследствии поворота его на 270°, так и потока в выпускном канале, проходящего через систему воздуховодов с несколькими поворотами в зону пониженного давления. Это не позволяет осуществить преобразование энергии воздушных потоков с высоким КПД, эффективно использовать внутреннюю энергию потока и его энергию давления.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая конфузор, турбину, внешнюю оболочку, установленное на оси симметрии установки центральное тело (внутри которого на одной оси с турбиной размещен генератор), обтекатель [4] - ближайший аналог.

Кольцевые зазоры между поверхностями центрального тела, обтекателя и внешней оболочки за счет разности энергий - поступающего в конфузор воздушного потока и разрежения на донном срезе установки обеспечивают возрастание скорости воздушного потока и в эжектирующих сечениях каналов, создаваемых указанными поверхностями, позволяют увеличить кинетическую энергию потоков, тем самым создать разрежение в затурбинном пространстве.

Однако достижение эффективного режима работы этой установки возможно только при достаточно высоких скоростях ветрового потока. Кроме того, в этой установке также имеют место значительные потери внутренней энергии основного потока в канале “конфузор - турбина - диффузор” за счет построения сужающихся эжектирующих каналов на пути потока в преддиффузорном пространстве.

К общим недостаткам рассмотренных аналогов следует отнести отсутствие решений по поддержанию постоянства выходного параметра - частоты вращения вала воздушной турбины от изменения входного - скорости ветрового потока, отсутствие самоориентации ветроагрегатов к ветру.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно повышение мощности ветроэлектростанции, обеспечение независимости частоты вращения вала турбины от изменения скорости ветрового потока, самоориентация ветроагрегата к ветру.

Эта задача решается тем, что в ветроэлектростанции, содержащей энергоагрегат, имеющий воздушную турбину, механически связанную с генератором, турбинный конфузор, внешнюю оболочку, диффузор, энергоагрегат снабжен по крайней мере двумя дополнительными радиально расположенными конфузорами, имеющими сужающиеся по ходу воздушного потока камеры его сжатия с образованием на выходе каждой из них кольцевого щелевого эжектора, а по оси энергоагрегата в его затурбинном пространстве расположен отражатель эжектирующих потоков, при этом лопасти турбины выполнены расширяющимися в сторону максимального диаметра турбины. Лопасти турбины имеют возможность автоматического изменения “угла атаки” к плоскости воздушного потока, перпендикулярной оси вращения. Энергоагрегат установлен на самоориентирующейся платформе с возможностью вращения на катках по замкнутому в круг монорельсу. Привод к оси вращения платформы выполнен снизу. Механизм самоориентации платформы содержит электропривод и два датчика положения, один из которых установлен на оси вращения указателя направления ветра, а другой - на валу шестерни, угол поворота и направление вращения которой соответствуют повороту вала вращения платформы. Ветроэлектростанция имеет поворотный штурвал для ручной установки платформы в стартовое положение. Тоководы напряжения от генератора энергоагрегата выведены через полость вала оси вращения платформы.

На фиг.1 представлен энергоагрегат ветроэлектростанции; на фиг.2 - самоориентирующаяся платформа ветроэлектростанции; на фиг.3 - аксонометрическая проекция ветроэлектростанции.

Ветроэлектростанция содержит установленный на самоориентирующейся платформе энергоагрегат, имеющий воздушную турбину 1, вал 2 которой механически связан с генератором 3, турбинный конфузор 4, радиально с ним расположенные конфузоры 5 и 6, которые снабжены сужающимися по ходу движения воздушного потока камерами 7 и 8 сжатия потока с образованием на выходе каждой из них кольцевых щелевых эжекторов 9 и 10. Лопасти турбины 1 выполнены расширяющимися в сторону ее максимального диаметра. По оси энергоагрегата в его затурбинном пространстве расположен конический отражатель 11 эжектирующих потоков, образующий с внешней оболочкой 12 энергоагрегата диффузорный выходной канал 13. Лопасти турбины 1 имеют возможность изменения “угла атаки” к плоскости воздушного потока, перпендикулярной оси вращения турбины 1, с помощью электропривода, который состоит из тахогенератора 14, электродвигателя 15, редуктора 16, вала передачи движения 17, проходящего через полость вала 2 турбины 1 к механизму поворота, расположенному в ступице 18 турбины 1, обтекателя 19. Платформа энергоагрегата содержит раму 20, установленую на катках 21 с возможностью вращения на замкнутом в круг монорельсе 22, к которой прикреплен полый вал 23, вращение к которому передается от электродвигателя 24 через редуктор 25 и шестеренчатый механизм 26. Механизм самоориентации платформы имеет также два датчика положения, один из которых 27 установлен на оси вращения указателя направления ветра (флюгера) 28, а другой 29 - на оси вращения шестерни шестеренчатого механизма 26, угол поворота которой равен углу поворота вала 23 рамы 20. Для ручной установки платформы в стартовое положение служит поворотный штурвал 30. Тоководы напряжения от генератора 3 энергоагрегата выведены через полость 31 вала 23.

Ветроэлектростанция работает следующим образом. Свободный воздушный поток, движущийся вдоль поверхности наружной оболочки 12 энергоагрегата, за счет эжекции создает разрежение на донном срезе 32 диффузора 13. Причем зона эффективного влияния этого потока, участвующего в создании разрежения, составляет не менее одного диаметра донного среза энергоагрегата, то есть в этом процессе участвует кольцевой воздушный поток, наибольший диаметр которого не менее трех диаметров донного среза. Энергию этого потока можно определить при помощи первого закона термодинамики или расчитать по формуле для определения упругой энергии газа, или другими известными способами.

Поступающий во входное сечение конфузора 6 воздушный поток обладает определенным запасом энергии, расчитываемой известными способами.

Под воздействием двух потоков энергии со стороны входного канала конфузора 6 и со стороны донного среза 32 воздушный поток, сжатый в камере сжатия 8, в минимальном сечении - кольцевой щели кольцевого щелевого эжектора 10 достигает максимальной скорости, то есть кинетическая энергия потока резко возрастает. Соответственно, с ростом скорости происходит понижение давления в этом сечении, величину которого обозначим Р₁<1. Это давление будет существенно ниже, чем давление Р₀ в свободном потоке.

За счет резкого возрастания кинетической энергии, снижения давления в эжектирующем воздушном потоке эжектора 10 создается разрежение в конусе этого потока, основание которого находится на задней кромке лопастей турбины 1, а вершина на осевой линии энергоагрегата на расстоянии, примерно равном диаметру турбины.

Одновременно под воздействием двух потоков энергии со стороны входного канала конфузора 5 и со стороны разреженного объема конуса разрежения, создаваемого эжектором 10, воздушный поток, сжатый в камере сжатия 7, в минимальном сечении - кольцевой щели кольцевого щелевого эжектора 9 достигает максимальной скорости, то есть его кинетическая энергия резко возрастает, значительно превышая кинетическую энергию потока из кольцевого щелевого эжектора 10. Соответственно, с ростом скорости в минимальном сечении эжектора 9 происходит понижение давления, величину которого обозначим P₂. При этом P₂<P.

За счет резкого возрастания кинетической энергии, снижения давления в эжектирующем воздушном потоке эжектора 9 создается разрежение в конусе этого потока, основание которого находится на задней кромке лопастей турбины 1, а вершина на осевой линии энергоагрегата на расстоянии, примерно равном 3/4 диаметра турбины 1.

Так, если условно принять, что давление в выходной части эжектора 10 составит P₁=0,85...0,9Р₀, то давление P₂ в выходной части эжектора 9 составит P₂=0,7...0,75Р₀. Минимальное давление воздушного потока в затурбинной части турбинного конфузора 4 также будет равно P₂.

Эжектирующие потоки эжекторов 9 и 10 в кольцевой плоскости контакта с поверхностью отражателя 11 имеют определенные запасы кинетической энергии, концентрируемой в плоскости контакта с отражателем 11. Эти эжектирующие потоки, отражаясь в сторону диффузора 13, создают дополнительное разрежение в конусе затурбинного объема и в диффузоре 13.

На выходе турбинного конфузора 4, в его минимальном сечении установлена турбина 1, и в этом сечении (на турбине) скорость воздушного потока, увеличенная в 1,2 раза за счет геометрии конструкции конфузора от взаимодействия энергии, поступающего в конфузор 4 (на турбину) воздушного потока и разрежения, достигает максимальной величины. Кинетическая энергия на турбине 1 представляет собой располагаемую работу, которая будет преобразована во вращение турбины 1 и связанного с ней генератора 3 электрического тока.

Разрежение в зоне затурбинного пространства уменьшает давление воздушного потока на задние поверхности лопастей турбины 1 при ее вращении. Это позволяет использовать в данном изобретении вместо традиционной “перообразной” формы рабочих поверхностей лопастей (заостренной в сторону максимального диаметра турбины 1) лопасти типа “обратный парус”, т.е. с расширяющейся рабочей поверхностью в сторону максимального диаметра турбины 1.

Кинетическая энергия воздушного потока в конфузоре 4, воздействующая на большую рабочую поверхность лопасти, при этом производит большую работу, обеспечивающую значительное увеличение вращающего момента на валу турбины 1, а следовательно, увеличение мощности ветроэлектростанции.

Автоматический поворот лопастей турбины 1 с изменением “угла атаки” лопастей в пределах 15...90 градусов к плоскости входного воздушного потока позволяет стабилизировать частоту вращения вала 2 турбины 1, однозначно зависящую от скорости воздушного потока в турбинном конфузоре 4, нагрузки на валу генератора 3, и тем самым поддерживать на уровне требуемых параметров частоту напряжения переменного тока, вырабатываемого генератором 3. Механизм поворота лопастей турбины 1 работает следующим образом: сигнал с тахогенератора 14 в виде напряжения постоянного тока, пропорционального частоте вращения, определяет заданную частоту вращения вала 2 турбины 1. При повышении скорости воздушного потока, а следовательно, и частоты вращения вала 2 турбины 1, выше установленной напряжение тахогенератора 14 возрастает, выдавая сигнал, включающий электродвигатель 15 на увеличение “угла атаки” лопастей с направлением вращения, передаваемым через редуктор 16, вал передачи движения 17 на механизм поворота лопастей, расположенный в ступице 18 турбины 1, и, таким образом, частота вращения вала 2 турбины 1 при постоянстве момента нагрузки на валу генератора 3 остается равной установленной. При уменьшении скорости воздушного потока, а следовательно, и частоты вращения вала 2 турбины 1, ниже установленной, напряжение тахогенератора 14 уменьшается, выдавая сигнал, включающий электродвигатель 15 на уменьшение “угла атаки” лопастей с направлением вращения, передаваемым через редуктор 16, вал передачи движения 17 на механизм поворота лопастей, расположенный в ступице 18 турбины 1, и, таким образом, частота вращения вала 2 турбины 1 при постоянстве момента нагрузки на валу генератора 3 также остается равной установленной.

Система автоматического регулирования частоты вращения вала 2 турбины 1 может быть построена исходя из известных схем и принципов теории и практики построения систем автоматического управления электроприводами, замкнутых по контролю одного или нескольких параметров.

Установленный на самоориентирующейся платформе энергоагрегат ветроэлектростанции приводится в стартовое положение (направлением к ветру) при помощи передающего усилие поворота ручного штурвала 30, через шестеренчатый механизм 26, полый вал вращения 23, раму 20 на катки 21. После перевода ветроэлектростанции в стартовое положение и запуска генератор 3 вырабатывает электрический ток напряжением 380 вольт, и ветроэлектростанция переходит в режим автоматической ориентации к ветру.

Автоматическая ориентация ветроэлектростанции к ветру осуществляется по сигналу рассогласования датчиков положения 27 и 29, например датчиков сопротивления (переменных резисторов), установленных на осях вращения указателя направления ветра 28 и шестерни шестеренчатого механизма 26 по направлению и частоте вращения, соответствующим валу вращения 23, включающему электродвигатель 24, передающий направление вращения через редуктор 25, шестеренчатый механизм 26, вал вращения 23, раму 20 на катки 21. При уменьшении сигнала рассогласования до “нуля” в связи с доворотом платформы электродвигатель 24 отключается, доворот прекращается, ветроэлектростанция становится сориентированной к ветру. При изменении направления ветра в ту или иную сторону механизм доворота ветроэлектростанции работает аналогично.

Система автоматической самоориентации также может быть построена исходя из известных схем и принципов теории и практики построения систем автоматического управления электроприводами.

Воздушная турбина энергоагрегата ветроэлектростанции работоспособна даже при незначительных перепадах давления. Ветроэлектростанция способна эффективно работать при скоростях свободного воздушного потока V₀=3...7 м/с.

Источники информации

1. Ветроэнергетика. Под редакцией Д. де Рензо. М.: Энергоиздат, 1982, с.81-86.

2. Авторское свидетельство СССР №1666801, МПК F 03 D 1/04, 1989.

3. Патент Японии 62-11190, МПК F 03 D 1/00, 1987.

4. Заявка PCT/WO 97/41351 (ближайший аналог).

Формула изобретения

1. Ветроэлектростанция, содержащая энергоагрегат, имеющий воздушную турбину, механически связанную с генератором, турбинный конфузор, внешнюю оболочку, диффузор, отличающаяся тем, что энергоагрегат снабжен по крайней мере двумя дополнительными радиально расположенными конфузорами, имеющими сужающиеся по ходу воздушного потока камеры его сжатия с образованием на выходе каждой из них кольцевого щелевого эжектора, а по оси энергоагрегата в его затурбинном пространстве расположен отражатель эжектирующих потоков, при этом лопасти турбины выполнены расширяющимися в сторону максимального диаметра турбины.

2. Ветроэлектростанция по п.1, отличающаяся тем, что лопасти турбины имеют возможность автоматического изменения "угла атаки" к плоскости воздушного потока, перпендикулярной оси вращения.

3. Ветроэлектростанция по любому из п.1 или 2, отличающаяся тем, что энергоагрегат установлен на самоориентирующейся платформе с возможностью вращения на катках по замкнутому в круг монорельсу.

4. Ветроэлектростанция по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что привод к оси вращения платформы выполнен снизу.

5. Ветроэлектростанция по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что механизм самоориентации платформы содержит электропривод и два датчика положения, один из которых установлен на оси вращения указателя направления ветра, а другой - на валу шестерни, угол поворота и направление вращения которой соответствуют повороту вала вращения платформы.

6. Ветроэлектростанция по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что содержит поворотный штурвал для ручной установки платформы в стартовое положение.

7. Ветроэлектростанция по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что тоководы от генератора энергоагрегата выведены через полость вала оси вращения платформы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3