Ветровая силовая установка
Изобретение относится к ветроэнергетике. Технический результат заключается в исключении принудительного механизма управления ветроприемниками, их взаимных перекрытий, самоблокировки и соударений при неравномерном потоке ветра, а также в увеличении коэффициента полезного действия установки. Ветровая силовая установка (ВСУ) содержит установленные на вращающихся радиальных горизонтальных балках приемники ветрового напора, совершающие угловые повороты вокруг вертикальных осей, беговые дорожки и контактирующие с ними катки. При этом установка содержит самоуправляемую несущую балочную конструкцию наземного базирования карусельного типа, вращающуюся по одной или нескольким опорным беговым дорожкам вокруг вертикальной оси, при этом приемники ветрового напора размещены на радиальных балках и выполнены в виде напорных и направляющих рамок с вертикальными осями вращения и ограничивающими упорами. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для создания как автономных малоразмерных ветровых силовых установок (ВСУ), так и промышленных сетеобразующих ВСУ, преобразующих энергию ветра в механическую или другие виды энергии.
Известна «Ветроэнергетическая установка» (RU №2125182 С1, МПК 6: F03D 5/04, опубл. 20.01.1999), содержащая принудительно управляемые парусные элементы, установленные на тележки, движущиеся по замкнутому круговому рельсовому пути.
Известна «Ветроэлектрическая станция» (SU №1455037 A3, МПК 4: F03D 5/04, опубл. 30. 01.1989.), содержащая ветроколесо карусельного типа, включающее подвесной кольцевой рельс, контактирующие с рельсом колесные опоры, вертикально направленные к земле мачты с установленными поворачивающимися относительно них парусными рабочими органами, выполненными в виде пар складных створок. Под действием ветра рабочие органы перемещаются на колесных опорах по подвешенному кольцевому рельсу. На активном участке траектории под давлением ветра находящиеся в сложенном положении створки раскрываются, а на пассивном - складываются, что и создает рабочий крутящий момент. Недостатками этой ветроэлектрической станции являются жесткий удароподобный режим работы складных створок парусных рабочих органов, крайне сложный с низким КПД механизм отбора энергии через посредство вращающихся магнитных якорей и расположенного в тоннеле по периметру станции индуктора электрогенератора, необходимость вовлечения в периферийное вращательное движение больших масс - якорей, сложность обеспечения устойчивости и центрирования подвесной конструкции станции при ветровой нагрузке.
Известна «Ветроэлектрическая станция» (FR №2523220 А, МПК: F03D 5/04, опубл. 16.09.1983), выбранная в качестве прототипа, содержащая ветроколесо карусельного типа, включающее наземные кольцевые рельсы, контактирующие с ними колесные опоры, установленные на ветроколесе вертикальные мачты с поворачивающимися относительно них ветроприемниками, систему принудительного управления положением ветроприемников по показаниям автономного флюгера с помощью компьютера, специальных движущихся по своему кольцевому рельсовому пути мини-тележек, червячной передачи и зубчатых колес, узел отбора мощности с помощью связанного с установленным на земле электрическим генератором катка, контактирующего с расположенной на ветроколесе кольцевой дорожкой. Недостатками этой ветроэлектрической станции являются наличие сложной системы непрерывного управления ветроприемниками, требующей значительных энергетических затрат и снижающих КПД станции, принципиальная невозможность учета характерных для приземной зоны (высотой до 50 метров), в которой располагается станция, рыскающих и разнонаправленных по высоте потоков ветра, сложный с низким КПД механизм отбора энергии.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в том, чтобы исключить принудительный механизм управления ветроприемниками, их взаимных перекрытий, самоблокировки и соударений при неравномерном порывистом набегающем потоке ветра. Кроме того, для учета характерных для приземной зоны рыскающих и разнонаправленных по высоте ветровых потоков, уменьшения потерь ветрового напора и увеличения коэффициента полезного действия; для исключения рыскающих и удароподобных поворотов рамок вокруг своих осей, в т.ч. в моменты перехода из тянущей в пассивную зону; для конструктивного исполнения силовой установки по террасному принципу, например, при использовании в качестве несущих конструкций естественных холмообразных возвышенностей.
Для достижения названного технического результата ветровая силовая установка карусельного типа балочной конструкции с вертикальной осью вращения содержит установленные на вращающихся радиальных горизонтальных балках приемники ветрового напора, совершающие угловые повороты вокруг вертикальных осей, беговые дорожки и контактирующие с ними катки
Новое, что отличает это устройство от прототипа, состоит в том, что ветровая силовая установка содержит самоуправляемую несущую балочную конструкцию наземного базирования карусельного типа, вращающуюся по одной или нескольким опорным беговым дорожкам вокруг вертикальной оси, при этом приемники ветрового напора размещены на радиальных балках и выполнены в виде напорных и направляющих рамок с вертикальными осями вращения и ограничивающими упорами. По другому варианту ветровая силовая установка разбивается по вертикали на автономные самоуправляемые ярусы с разрывом осей вращения рамок между ярусами. По третьему варианту ограничители угловой скорости рамок выполнены гидравлического типа. По четвертому варианту для конструктивного исполнения силовой установки по террасному принципу, например, при использовании в качестве несущих конструкций естественных холмообразных возвышенностей, беговые дорожки располагаются на разных горизонтальных уровнях.
Ветровая силовая установка (ВСУ) изображена на чертежах, где на фиг.1 - вид ВСУ сверху, на фиг.2 - совмещенные опорный, противоопрокидывающий и центрирующий узлы ВСУ, на фиг.3 - вариант ВСУ с холмообразной возвышенностью в качестве несущей конструкции.
Ветровая силовая установка карусельного типа балочной конструкции с вертикальной осью вращения содержит опорные беговые дорожки 1, вращающиеся радиальные горизонтальные балки 2, на которых установлены приемники ветрового напора, выполненные в виде напорных 3 и направляющих 4 рамок, совершающих угловые повороты вокруг вертикальных осей вращения 5, снабженных ограничивающими упорами 6. В свободной центральной части ВСУ возможно сооружение эксплуатационного здания 7 с туннельным доступом в него и с размещением в его верхней части, например, электрического генератора с приводом от ВСУ. Установка также содержит противоопрокидывающие 8 и центрирующие 9 беговые дорожки, контактирующие с ними катки (фиг.2 не обозначено) и самоуправляемую (без флюгера или крыла-стабилизатора) несущую балочную конструкцию наземного базирования карусельного типа (фиг.1, 3 не обозначено), вращающуюся по одной или нескольким опорным беговым дорожкам вокруг вертикальной оси. Кроме того, установка содержит холмообразную возвышенность 10 ВСУ с четырьмя автономными самоуправляемыми ярусами 11 напорных рамок, двумя расположенными на разных уровнях опорными беговыми дорожками и отбором механической энергии для привода электрогенератора 12 в верхнем сечении ВСУ.
Эффект достигается введением механизма реализации самовоспроизводящейся при вращении установки независимой от направления ветра сильной аэродинамической асимметрии (аэродинамического дисбаланса) ее тянущей подветренной и пассивной наветренной зон (на чертеже соответственно с левой и с правой стороны). При вращении ВСУ (против часовой стрелки) под воздействием набегающего ветрового потока рамки 3, 4 поворачиваются, совершая угловые возвратные движения без прогрессивного вращения. Перемещения балок 2 из тянущей в пассивную зону сопровождаются сходом напорных рамок 3 с ограничивающих упоров 6 и переводом их в так называемый флюгерный режим с минимальным аэродинамическим сопротивлением. Обратный процесс происходит при перемещении балок 2 из пассивной в тянущую зону - становясь под давлением ветра на ограничивающие упоры 6, рамки 3 переходят из флюгерного в рабочий режим, оказывая значительное аэродинамическое сопротивление набегающему потоку ветра. Цикл повторяется при каждом полном обороте силовой установки. Самовоспроизводящийся аэродинамический дисбаланс и создает рабочий крутящий момент ВСУ. Направляющие рамки 4 играют роль концентраторов ветрового потока, предназначенных для повышения КПД и расширения снизу рабочего диапазона скоростей ветра, обеспечивающего нормальное функционирование ВСУ. У ВСУ больших размерностей эти концентраторы могут иметь большую парусность, В этих случаях для повышения эффективности ВСУ также целесообразно введение режима работы рамок 4 с сильной аэродинамической асимметрией, что и у напорных рамок 3. У ВСУ малой размерности рамки 4 имеют малую парусность и их угловое положение относительно плоскостей несущих радиальных балок может быть и фиксированным. Между рамками 3 по каждой из балок 2 введены кинематические связи, рычажного типа с шарнирами, обеспечивающие синхронность угловых поворотов рамок 3 вокруг своих осей и исключающие, в том числе, их взаимные перекрытия при неравномерном порывистом набегающем потоке ветра, самоблокировки и соударения. Для увеличения КПД в ВСУ также введен рычажный механизм принудительного (со стороны рамок 3) сброса с упоров и перевода во флюгерный режим рамок 4 при переходе балок 2 из тянущей в пассивную зону. Для расширения рабочего диапазона отдачи энергии ветровым потоком ВСУ по вертикали разбивается на автономные самоуправляемые ярусы с разрывом осей вращения рамок 3, 4 между соседними ярусами. В этом случае в реальных условиях работы ВСУ положения границ раздела тянущей и пассивной зон в каждом ярусе оказываются индивидуальными, зависящими от локальной ветровой обстановки. Таким образом обеспечивается автоматическое отслеживание рамками характерных для приземной зоны (высоты примерно до 50 метров) рыскающих и разнонаправленных по высоте потоков ветра. Относительно большая опорная площадь основания ВСУ сама по себе способствует противодействию ее опрокидывания при большой ветровой нагрузке. Тем не менее возможна реализация дополнительных конструктивных мероприятий (см. фиг.2) - введение одной или нескольких беговых дорожек 8 вертикального обкатывания, инверсных опорным дорожкам 1, которые ограничивают движения опорных катков, а значит, и конструкции ВСУ при попытках ее опрокидывания. При шквальном или штормовом ветре аварийная защита ВСУ осуществляется переводом части или даже всех рамок 3, 4 во флюгерный режим с дозированной или минимальной ветровой нагрузкой на конструкцию. Широкодиапазонное управление отдаваемой мощностью ВСУ при ее эксплуатации осуществляется аналогичным способом. При физически реализованной оси вращения ВСУ дополнительные мероприятия по ее центровке могут и не потребоваться. Если же конструкция лишена такой оси, то центровка ВСУ может быть достигнута введением одновременно с опорными и противоопрокидывающими беговыми дорожками 1, 8 вертикального обкатывания, одной (например, по периметру ВСУ) или нескольких центрирующих беговых дорожек 9 горизонтального обкатывания. На фиг 2 изображена схема совмещенного узла обкатывания опорной 1, противоопрокидывающей 8 и центрирующей 9 беговых дорожек (фиг.3). Выбранная конструкция ВСУ допускает размещение узла отбора механической мощности в любом сечении физически реализованной или воображаемой оси вращения ВСУ. При приподнятом над землей узле отбора мощности в свободной центральной части ВСУ возможно сооружение эксплуатационного здания 7 с туннельным доступом в него и с размещением в его верхней части, например, электрического генератора с приводом от ВСУ. Сооружение такого здания в форме вертикально стоящего цилиндра (возможны и другие варианты) кроме чисто утилитарного назначения одновременно с рамками 4 играет роль одного из элементов концентратора ветрового потока, предназначенного для повышения КПД ВСУ (при той же силе ветра ветровой напор на ВСУ выше со зданием, чем без него). Для смягчения реакций рамок 3, 4 на резкие разнонаправленные рыскающие порывы ветра и перехода из тянущей в пассивную зону, когда происходит их опрокидывание, в конструкцию ВСУ введены ограничители угловой скорости рамок (например, гидравлического типа). При необходимости устранения характерного для работы ВСУ механического дисбаланса, связанного со смещением масс из-за угловых перемещений рамок, последние могут быть сбалансированными относительно своих осей, в том числе единым противовесом для каждой секции кинематически связанных рамок. Возможно также конструктивное исполнение ВСУ по террасному принципу с расположением беговых дорожек на разных горизонтальных уровнях. Такое исполнение целесообразно, например, при использовании в качестве несущих конструкций естественных холмообразных возвышенностей или специально построенных для этого сооружений. На фиг.3 изображена схема такой охватывающей холмообразную возвышенность 10 ВСУ с четырьмя автономными самоуправляемыми ярусами 11 напорных рамок 3, двумя расположенными на разных уровнях опорными беговыми дорожками 1 и отбором механической энергии для привода электрогенератора 12 в верхнем сечении ВСУ. Вместо жестких несущих поверхностей приемников ветрового напора рамок 4, 5 возможно (и даже желательно) использование натянутых на них эластичных парусов. Кроме значимого снижения металлоемкости, применение парусов является важным фактором повышения эффективности ВСУ. Связано это с тем, что до настоящего времени, как известно, паруса представляют собой наиболее совершенную лопастную машину с наивысшим из достигнутых коэффициентом полезного действия.
1. Ветровая силовая установка карусельного типа балочной конструкции с вертикальной осью вращения, содержащая установленные на вращающихся радиальных горизонтальных балках приемники ветрового напора, совершающие угловые повороты вокруг вертикальных осей, беговые дорожки и контактирующие с ними катки, отличающаяся тем, что установка содержит самоуправляемую несущую балочную конструкцию наземного базирования карусельного типа, вращающуюся по одной или нескольким опорным беговым дорожкам вокруг вертикальной оси, при этом приемники ветрового напора размещены на радиальных балках и выполнены в виде напорных и направляющих рамок с вертикальными осями вращения и ограничивающими упорами.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она разбивается по вертикали на автономные самоуправляемые ярусы с разрывами осей вращения рамок между ярусами.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что ограничители угловой скорости рамок выполнены гидравлического типа.
4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что для конструктивного исполнения силовой установки по террасному принципу, например при использовании в качестве несущих конструкций естественных холмообразных возвышенностей, беговые дорожки располагаются на разных горизонтальных уровнях.
