Ветроэлектростанция
Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для производства электрической энергии. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия (КПД) ветродвигателя, его надежности, долговечности, безопасности, полного использования энергии ветра при любой скорости ветра, снижении себестоимости вырабатываемой электрической энергии и стоимости производства ветроэлектростанции, повышении мощности установки без увеличения ее размеров, а также в сокращении сроков окупаемости агрегата. Ветроэлектростанция содержит вертикальный вал, вращающийся на подшипниках в каркасной раме, лопасти и ветронаправляющие устройства, при этом на вертикальном валу установлена жестко крестообразная рама с ведущими лопастями с ограничителями и ведомыми лопастями, расположенными вертикально, образующими в рабочем ходе единую рабочую плоскость, равную по ширине радиусу ветродвигателя, и связанными между собой синхронизаторами, нижнее и верхнее ветронаправляющие устройства установлены ниже и выше уровня лопастей, выполнены с вертикальными ребрами, расположенными под острым углом к радиусу ветродвигателя и разделены на секторы, качающиеся на оси, установленной перпендикулярно радиусу ветродвигателя и смещенной с центра сектора в сторону центра ветродвигателя в соотношении 2:1 длины сектора, причем внутренняя, короткая сторона сектора нижнего ветронаправляющего устройства тяжелее внешней, для чего снабжена контргрузом. 5 ил.
Изобретение относится к области ветроэнергетики и может быть использовано для преобразования энергии набегающего воздушного потока в электрическую энергию, работая при любом направлении ветра, включая ураганный.
Известна ветрогидроэнергетическая установка (№1787208, МПК F03D 3/00, опубл. 07.01.93, бюл. №1), содержащая размещенное на вертикальном валу рабочее колесо с поворотными лопастями, ограничители разворота лопастей, снабженные секторными дисками и подпружиненными стержнями, установленными с возможностью контактирования с дисками, механизм перевода лопастей во флюгерное положение.
Недостатком известного устройства является его низкий КПД, поскольку лопасти имеют ширину, равную половине радиуса рабочего колеса, вибрацию при работе, быстрый износ и ненадежность механизмов в работе, необходимость постоянного наблюдения за процессом работы механизмов, незащищенность установки от атмосферных осадков и молнии, непостоянство скорости вращения рабочего колеса.
Наиболее близким по технической сущности является карусельный ветродвигатель (№2006665, МПК F03D 3/00, опубл. 30.01.94, бюл. №2), содержащий вертикальный полый вал, установленные на нем горизонтальные поворотные валы с лопастями, ветронаправляющее устройство, вертикальные стойки, каркас, укрепленные на стойках кулисы с П-образным сечением, водило с пальцем.
Недостатком известного устройства является сложность в изготовлении, высокая материалоемкость, низкий КПД, несовершенство ветронаправляющего устройства, вибрации, отсутствие системы обеспечения постоянных оборотов двигателя, быстрый износ и ненадежность механизмов в работе, отсутствие механизма перевода лопастей во флюгерное положение и механизма торможения ветродвигателя.
Изобретение решает задачи:
- повышение КПД, увеличение удельной мощности;
- повышение надежности механизмов;
- упрощение конструкции;
- производительное использование ветроустановки в диапазоне скоростей ветра от одного до шестидесяти метров в секунду и получение при этом постоянной стандартной энергии, адекватной силе ветра;
- увеличение срока службы до 50 лет.
Технический результат заявленного решения заключается в повышении КПД, увеличении удельной мощности. Кроме того, повышается надежность механизмов; упрощается конструкция; появляется возможность использования ветроустановки в диапазоне скоростей ветра от одного до шестидесяти метров в секунду и получения при этом постоянной стандартной энергии, адекватной силе ветра; возможно производство ветросиловых установок требуемой мощности от 1 кВт до 50000 кВт и более, и аккумулирование энергии на период полного отсутствия ветра; увеличивается срок службы до 50 лет; снижаются затраты на изготовление установки; сокращается срок окупаемости затрат на строительство установки до 4 месяцев; снижаются расходы на содержание и обслуживание агрегата; снижается себестоимость производимой энергии; повышается конкурентноспособность отечественных ветродвигателей.
Указанный технический результат достигается тем, что в ветроэлектростанции, содержащей вертикальный вал, лопасти и ветронаправляющие устройства, согласно изобретению на вертикальном валу установлена жестко крестообразная рама с ведущими лопастями с ограничителями и ведомыми лопастями, расположенными вертикально, образующими в рабочем ходе единую рабочую плоскость, равную по ширине радиусу ветродвигателя, и связанными между собой синхронизаторами, нижнее и верхнее ветронаправляющие устройства установлены ниже и выше уровня лопастей, выполнены с вертикальными ребрами, расположенными под острым углом к радиусу ветродвигателя и разделены на секторы, качающиеся на осях, установленных перпендикулярно радиусу ветродвигателя и смещенных с центра сектора в сторону центра ветродвигателя в соотношении 2:1 длины сектора, причем внутренняя, короткая сторона сектора нижнего ветронаправляюшего устройства снабжена контргрузом.
Ветродвигатель имеет ветронаправляющее устройство, значительно повышающее КПД и мощность ветродвигателя, увеличивающее скорость его оборотов, при этом совершенно не препятствуя свободному выходу отработавшего потока воздуха.
Высокий КПД ветродвигателя обеспечивают ведущие и ведомые лопасти, занимающие в рабочем положении 50% диаметра ветродвигателя, благодаря связи между ними посредством синхронизатора.
Нижнее и верхнее ветронаправляющие устройства работают под острым углом к горизонтальной линии в рабочем положении, и в горизонтальном - с подветренной стороны, и под действием ветра самоустанавливаются в необходимом функциональном положении.
- Ветроэлектростанция может иметь модульное устройство, позволяющее монтировать вертикальную башню из нескольких синхронно работающих модулей, складывая их мощность;
- ветроэлектростанция может иметь круглую конусную крышу с громоотводом, надежно защищающую механизмы от атмосферных осадков, обледенения, ударов молнии;
- ветроэлектростанция имеет надежный тормоз: электромагнитный и механический способ воздействия на тормозной диск; двусторонний редуктор, автоматические сцепления, систему электрических генераторов, имеющую электромагнитные сцепления веерного включения и отключения в соответствии с силой ветра и мощностью ветроэлектростанции для обеспечения постоянных оборотов генератора при любой силе ветра и для гибкого использования полной силы ветра;
- предусмотрен дублирующий ряд генераторов, позволяющий производить ремонт, обслуживание и замену электрооборудования, не прерывая процесс получения энергии, для чего устанавливается редуктор типа заднего моста автомобиля с блокиратором;
- при указанной выше надежности и подконтрольности возможна установка дистанционного управления работой ветроэлектростанции.
На фиг.1 изображен ветродвигатель, вид сбоку; на фиг.2 - разрез А-А, вид сверху; на фиг.3 - ветронаправляющее устройство нижнее; на фиг.4 - ветронаправляющее устройство верхнее; на фиг.5 - общий вид ветроэлектростанции.
Ветроэлектростанция содержит ветродвигатель, имеющий вертикальный вал 1. На валу 1 жестко укреплена рама 2, выполненная в форме прямоугольников, расположенных крестообразно. В раме 2 на подшипниках 3 установлены ведущая лопасть 4, ограничители 5 поворота ведущей лопасти 4, ведомая лопасть 6. Ведущая и ведомая лопасти 4 и 6 составляют единую рабочую лопасть в рабочем ходе, равную по ширине радиусу ветродвигателя. Таких пар в одной раме может быть установлено две, в зависимости от размеров и мощности ветродвигателя. К ограничителям 5 через вал 1 и раму 2, на которой они установлены, подведено электрическое напряжение. Ведущая лопасть 4 подвижно соединена сверху и снизу с ведомой лопастью 6 синхронизатором 7. Вал 1 с рамой 2 установлен на комбинированных подшипниках 8 в неподвижной каркасной раме 9. Ветроэлектростанция содержит ветронаправляющие устройства нижнее 10 и верхнее 11.
Ветронаправляющие устройства 10 и 11 имеют вертикальные ветронаправляющие ребра 12, расположенные под острым углом к радиусу ветродвигателя. Чтобы направляющие ребра 12 не создавали сопротивление воздуху на выходе из ветродвигателя, каждое ветронаправляющее устройство 10 и 11 разделены на секторы 13 (по 16 штук), имеющие по одному ребру 12 на каждом. Сектор 13 свободно качается на оси 14, которая установлена перпендикулярно радиусу ветродвигателя и смещена с центра сектора в сторону центра ветродвигателя в соотношении 2:1 длины сектора 13. Внутренняя, короткая сторона сектора 13 нижнего ветронаправляюшего устройства 11 снабжена контргрузом 15. На каркасе ветроэлектростанции установлен ограничитель 16.
Ветронаправляющие устройства - нижнее 10 и верхнее 11 самоустанавливаются под действием ветра.
Кроме того, ветроэлектростанция имеет тормоз на вертикальном валу 1 в машинном зале, муфту сцепления, двусторонний редуктор, соединенный через муфты сцепления с генераторами (не показано). Предусмотрен дублирующий ряд генераторов, позволяющий производить ремонт, обслуживание и замену электрооборудования, не прерывая процесс получения энергии, для чего устанавливается редуктор типа заднего моста автомобиля с блокиратором (не показано).
Ветроэлектростанция может иметь:
- модульное устройство, позволяющее монтировать вертикальную башню из нескольких синхронно работающих модулей, складывая их мощность;
- круглую конусную крышу с громоотводом, надежно защищающую механизмы от атмосферных осадков, обледенения, ударов молнии.
Ветроэлектростанция работает следующим образом.
Ведущая лопасть 4 и ведомая лопасть 6 синхронно работают в рабочем ходе и во флюгерном положении, функционально объединенные синхронизатором 7 в единую лопасть, занимающую 50% диаметра ветродвигателя.
Лопасти 4 и 6 в точке "0" (ноль) в начале рабочего хода стоят ребром к ветру, составляя единую вертикальную плоскость, расположенную по радиусу ветродвигателя, при этом ведущая лопасть 4 упирается в ограничители 5. Вращаемый силой впереди идущей пары лопастей 4 и 6 ветродвигатель поворачивает следующую пару лопастей перпендикулярно к потоку ветра, и лопасти 4 и 6 участвуют в рабочем ходе. При подходе к точке "1" ("один") в конце рабочего хода лопасти 4 и 6 под воздействием напора ветра с правой половины ветродвигателя поворачиваются на 180 градусов и продолжают движение во флюгерном режиме до точки "ноль", на подходе к которой лопасти 4 и 6 устанавливаются ребром к ветру, составляя единую вертикальную плоскость лопасти, готовую к новому рабочему ходу. При этом лопасть 4 плавно упирается в ограничители 5. Процесс повторяется.
Так работают поочередно все четыре пары лопастей 4 и 6, обеспечивая четкую реакцию механизмов на направление ветра, надежность и КПД ветродвигателя более 95%.
Для остановки ветродвигателя предусмотрены электромагнитные ограничители 5. Поскольку к ограничителям 5 через вал 1 и раму 2, на которой они установлены, подведено электрическое напряжение, по команде оператора или автоматического устройства электрическое напряжение подается на обмотку электромагнитов, которые втягивают ограничители 5, и лопасти 4 и 6 поэтапно или все одновременно устанавливаются во флюгерное положение, ветродвигатель останавливается. В аварийной остановке ветродвигателя участвуют тормоза электромагнитные и механические, установленные на тормозном диске в машинном зале.
Лопасти 4 и 6 занимают в рабочем положении 50% диаметра колеса и благодаря связи между ними посредством синхронизатора 7 обеспечивают высокий КПД ветродвигателя.
Ветронаправляющие устройства 10, 11 самоустанавливаются под действием ветра и работают под острым углом к горизонтальной линии в рабочем положении и в горизонтальном - с подветренной стороны.
Ветронаправляющие ребра 12 (16 ребер на каждом устройстве), расположенные под острым углом к радиусу ветродвигателя, ускоряют поток воздуха и увеличивают его энергию. Ветронаправляющие устройства направляют поток ветра по ходу вращения ветродвигателя, увеличивая длительность рабочего хода лопастей 4 и 6 на 22,5 градусов и мощность агрегата в несколько раз, так как скорость потока воздуха удваивается, а энергия ветра увеличивается в восемь раз, поскольку энергия ветра пропорциональна кубу его скорости. В результате ветродвигатель приобретает способность производительно работать при скорости ветра менее 2 м/с. В два раза снижается потеря мощности на редукторе вследствие увеличения скорости вращения ветродвигателя в два раза. В целом улучшается динамика работы и инерция ветродвигателя, снижается его зависимость от порывов ветра.
Чтобы направляющие ребра 12 не создавали сопротивление воздуху на выходе из ветродвигателя, ветронаправляющие устройства 10 и 11 разделены каждое на шестнадцать секторов 13, имеющих по одному ребру 12 на каждом. Сектор 13 свободно качается на оси 14, которая перпендикулярна радиусу ветродвигателя и смещена с центра сектора в сторону центра ветродвигателя в пропорции 2:1 длины сектора 13.
Внутренняя, короткая сторона сектора 13 нижнего ветронаправляюшего устройства 11 тяжелее внешней стороны, для чего снабжена контргрузом 15. Под напором ветра сектор 13 нижнего ветронаправляющего устройства 10 наклоняется под острым углом к горизонту, направляя ветер на лопасти ветродвигателя по ходу вращения лопастей. С подветренной стороны сектор 13 самоустанавливается в горизонтальное положение под действием контргруза 15, упираясь в ограничитель 16, и не препятствует выходу воздуха из ветродвигателя.
Верхние секторы 13 не имеют контргрузов и функционируют идентично нижним под напором ветра, самоустанавливаясь в горизонтальное положение на выходе ветра. Нижние и верхние секторы 13 ветронаправляющих устройств 10 и 11, находящиеся напротив правой половины ветродвигателя, отводят напор ветра от идущих против ветра лопастей 4 и 6, находящихся во флюгерном положении, что улучшает динамику и повышает КПД ветродвигателя, который в целом получает дополнительную энергию, в три раза увеличивающую мощность агрегата без увеличения площади лопастей.
В результате ветродвигатель имеет максимальную площадь лопастей в рабочем ходе - 50% диаметра двигателя, и минимальное сопротивление лопастей во флюгерном положении, КПД более 95%, многократно увеличенную мощность за счет оригинального ветронаправляющего устройства (до 10 раз в зависимости от длины секторов), продуктивно работает в автоматическом режиме при любом направлении ветра, при скорости ветра, начиная с 1 м/с. Благодаря системе с веерным подключением и отключением и дублирующему ряду генераторов, ветроэлектростанция работает надежно в постоянном режиме, не прекращая вырабатывать энергию во время ремонта, профилактики, осмотра, замены электрооборудования. Ветродвигатель работает бесшумно и без вибраций, благодаря системе подшипников и мягких ограничителей в местах соприкосновения деталей и механизмов во время работы. Ветродвигатель имеет высокое стартовое начало производительного вращения при скорости ветра 1-2 м/с за счет максимальной разницы сопротивления лопастей в рабочем и во флюгерном режимах работы, за счет многократной прибавки мощности от ветронаправляющего устройства и оптимального выбора нагрузки на ветродвигатель способом веерного включения системы генераторов. Ветроэнергетическая установка имеет большой срок эксплуатации - свыше 50 лет - за счет мягкой и слаженной работы механизмов, щадящего режима нагрузок, дублирующей линии генераторов, наличия крыши и громоотвода, обеспечивающих защиту конструкции от воздействия солнца, атмосферных осадков, ударов молнии, может быть изготовлена с установленной мощностью от 1 кВт до 50000 кВт (не предел), быстро окупается (до 4 месяцев), удобна и экономична в обслуживании, имеет низкую себестоимость энергии. Установка безопасна, имеет прочные конструкции, обеспечивающие устойчивость и безаварийную эксплуатацию в условиях природных катаклизмов, таких как ураганы, землетрясения, грозы, обильные осадки, способна работать в любых климатических и погодных условиях, в экстремальных режимах, при любых положительных и отрицательных температурах, имеет высокие показатели по мощности на единицу стоимости и материалоемкости, по надежности и по технологичности изготовления. Серийность выпуска установки снизит ее стоимость, оснащение системой аккумулирования энергии, например, производство жидкого водорода для работы резервных дизельгенераторов или более современных установок для производства электрической энергии, устранит единственный недостаток ветроэлектростанции - простой в отсутствие ветра, не нарушая высокую экологичность. Возобновляемость источника энергии - ветра определяет приоритет ветроэлектростанции перед другими источниками энергии. Построенная на возвышенности, установка получает известные преимущества и дополнительную энергию. В зонах сурового холодного климата ветроэлектростанция может быть снабжена электронагревателями для освобождения крыши и ветронаправляющего устройства от наледи и накопившегося снега: каждый сегмент и каждый сектор поочередно.
Наличие системы электрических генераторов, имеющих электромагнитные сцепления веерного включения и отключения в соответствии с силой ветра и мощностью ветроэлектростанции обеспечивает постоянные обороты генератора при любой силе ветра и для гибкого использования полной силы ветра.
Ветроэлектростанция, содержащая вертикальный вал, вращающийся на подшипниках в каркасной раме, лопасти и ветронаправляющие устройства, отличающаяся тем, что на вертикальном валу установлена жестко крестообразная рама с ведущими лопастями с ограничителями и ведомыми лопастями, расположенными вертикально, образующими в рабочем ходе единую рабочую плоскость, равную по ширине радиусу ветродвигателя, и связанными между собой синхронизаторами, нижнее и верхнее ветронаправляющие устройства установлены ниже и выше уровня лопастей, выполнены с вертикальными ребрами, расположенными под острым углом к радиусу ветродвигателя, и разделены на секторы, качающиеся на оси, установленной перпендикулярно радиусу ветродвигателя и смещенной с центра сектора в сторону центра ветродвигателя в соотношении 2:1 длины сектора, причем внутренняя, короткая сторона сектора нижнего ветронаправляюшего устройства тяжелее внешней, для чего снабжена контргрузом.
