Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности
Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, а именно к преобразованию солнечной и кинетической энергии ветра в электрическую энергию, для питания нагрузок конечного потребителя, и может быть использовано при оснащении системами альтернативной энергетики и создании автономного комплекса из нескольких установок, объединенных в ветряные электрические станции. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности содержит лопастную турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри ветронаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками. Электрогенератор находится на оси лопастной ветровой турбины. Фотоэлектрический преобразователь световой энергии установлен на верхней крышке. Лопастная турбина выполнена в виде параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом, образующих пустотелые барабаны. Между внутренними поверхностями дисков установлены вертикальные лопасти. Турбина размещена в центре ветронаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных спиралевидных ветронаправляющих экранов, выполненных в совокупности с лопастями ветровой турбины в виде раскручивающихся спиралей, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу, а концы отведены к периферии ветронаправляющего аппарата. Верхние края ветронаправляющих экранов соединены с верхней крышкой, нижние края соединены с нижней крышкой, образуя воздушные камеры сопла. В тело ветронаправляющих экранов встроены отсечные пластины. Дополнительно введены реверсивные приводы и датчики углов открытия отсечных пластин, датчик скорости вращения и температуры статорных обмоток электрогенератора, датчики давления воздушного потока, устройство управления. Концы отсечных пластин расположены ближе к оси вращения ротора и соединены с поворотными валами отсечных пластин, выполненными с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси. Поворотные валы отсечных пластин механически связаны с реверсивными приводами и датчиками углов открытия отсечных пластин. Вертикальный поворотный вал связан с датчиком скорости вращения. Выходы датчиков углов открытия отсечных пластин, датчиков давления воздушного потока, датчика скорости вращения и датчика температуры статорных обмоток электрогенератора соединены с входами устройства управления, а выходы устройства управления соединены с входами реверсивных приводов отсечных пластин. Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, состоит в повышении надежности электроснабжения потребителей в широком диапазоне скоростей ветрового потока и обеспечении эффективного автономного функционирования независимо от направления ветрового потока с высоким коэффициентом полезного действия. Одновременно достигается значительное снижение уровня механического и аэродинамического шума. 13 з.п. ф-лы, 12 ил.
Заявляемое техническое решение относится к области возобновляемых источников энергии, а именно к преобразованию солнечной энергии и кинетической энергии ветра в электрическую энергию, для питания нагрузок конечного потребителя, и может быть применена при оснащении системами альтернативной энергетики и создании автономного комплекса из нескольких установок, объединенных в ветряные электрические станции.
Известен ветроэнергетический агрегат (пат. РФ №2352809, МПК F03D3/04, опубл. 20.04.2009 г.),содержащий раму, ветровую турбину, содержащую два цилиндрических блока, расположенных вертикально на одной геометрической оси и разделенных крышками рамы, каждый из которых имеет направляющий аппарат для поступающего воздуха, являющийся статором турбины, с пластинами для улавливания ветра и ротор с лопатками, соединенными с валом, для преобразования энергии ветра во вращательное движение вала, электрический многополюсный вентильный генератор с ротором, имеющим щеточный узел, со статором и системами автоматического управления. Статор вентильного генератора выполнен с возможностью вращения в направлении, противоположном направлению вращения ротора, и снабжен центральным трубчатым валом, а ротор имеет центральный вал, проходящий внутри трубчатого вала статора, каждый блок ветровой турбины состоит из ярусов, разделенных поперечными дисками, каждый ярус имеет направляющий аппарат - статор, пластины которого выполнены плоскими и установлены радиально, и ротор, лопатки которого соединены с валом блока, ярусы составляют нижнюю и верхнюю группы, объединенные общими валами, установленными коаксиально, вал нижней группы ярусов выполнен трубчатым и соединен с валом статора вентильного генератора, а вал верхней группы ярусов проходит внутри трубчатого вала нижней группы ярусов и соединен с валом ротора вентильного генератора, лопатки роторов ярусов нижнего и верхнего блоков установлены с противоположно направленными углами наклона к радиусу ротора для обеспечения взаимно противоположного направления вращения роторов указанных блоков, при этом группа ярусов ветровой турбины, вращающая ротор генератора, и группа ярусов, вращающих статор генератора, выполняются согласно их расчетным мощностям, в соответствии с соотношением Nst=kNrt, где Nst - мощность, передаваемая на статор генератора, Nrt - мощность, передаваемая на ротор генератора, k=iJst/iJrt, где Jst=GstDst 2, Jrt=GrtDrt 2 - соответственно моменты инерции статора и ротора, Gst, Grt - их вес, Dst, Drt - их наружные диаметры, i - доля электромагнитной мощности генератора, обеспечиваемая каждым блоком.
Использование прямого соединения вала генератора с валами блоков, без применения механического редуктора, увеличивает надежность и снижает стоимость агрегата.
Однако это устройство имеет ряд существенных недостатков. Большое количество подшипниковых узлов для обеспечения взаимно противоположного направления вращения групп ярусов ветровой турбины, вращающих ротор генератора, и группу ярусов, вращающих статор генератора, применение разгонных муфт, наличие контактных колец с щеточными узлами для подключения выводов обмоток генератора усложняет конструкцию и уменьшает надежность электроснабжения. Отсутствует эффект повышения давления ветрового потока, что не позволяет преобразовывать энергию низкопотенциальных ветровых потоков.
Известен ветродвигатель с регулируемыми ветронаправляющими экранами (пат. РФ №2264558, МПК F03D3/04, опубл. 20.11.2005 г.), содержащий вращающуюся ветротурбину с вертикальной осью вращения и расположенные снаружи ветротурбины по окружности свободно поворачивающиеся вокруг вертикальных осей ветронаправляющие экраны. Каждый ветронаправляющий экран расположен в секторе свободного поворота, а крайние положения заданы прямой, проходящей через оси вращения ветротурбины и ветронаправляющего экрана, и касательной к окружности, образованной вращением крайней наружной точки подвижной плоскости лопасти, проходящей через ось вращения ветронаправляющего экрана. Каждый ветронаправляющий экран снабжен роликами и установлен в раму на направляющие, расположенные по верхней и нижней ее граням с возможностью свободного перемещения по ним экранов в горизонтальном направлении.
Недостатком данного технического решения является отсутствие верхней и нижней крышек, что исключает эффект повышения давления потока на рабочие лопасти турбины и уменьшения давления ветра на нерабочие лопасти ветровой турбины, что не позволяет преобразовывать энергию низко потенциальных ветровых потоков и ведет к снижению коэффициента использования энергии ветра ξ и, соответственно, снижению КПД. Отсутствует возможность стабилизации номинальной скорости электрогенератора в широком диапазоне скоростей ветрового потока. Защитное отключение ветродвигателя при штормовых и ураганных скоростях ветрового потока снижает надежность электроснабжения.
Известна ветроэнергетическая установка (пат. РФ №2251022, МПК F03D3/00, F03D3/04, опубл. 27.04.2005 г.), содержащая ветряное колесо с лопастной ветровой турбиной с вертикальной осью вращения, расположенной внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси ветровой турбины, накопитель энергии и блок управления. Установка дополнительно содержит фотоэлектрический преобразователь световой энергии, фотоэлектрические элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата и связаны с накопителем энергии. В центре верхней крышки воздухонаправляющего аппарата установлена воздухоотводящая труба, в которой на верхнем конце оси вращения ветровой турбины установлен электрический генератор.
Недостатком указанной ветроэнергетической установки является низкая эффективность использования энергии ветрового потока, обусловленная конструктивными особенностями воздухонаправляющего аппарата. Часть ветрового потока со всей боковой вертикальной площади установки отражается от профилированных направляющих лопастей в сторону от установки, не совершая полезной работы. Отсутствует эффект повышения давления ветрового потока на рабочие лопасти турбины, что не позволяет преобразовывать энергию низкопотенциальных ветровых потоков, и ведет к снижению коэффициента использования энергии ветра ξ и соответственно снижению КПД. Защитное отключение установки при штормовых и ураганных скоростях ветрового потока снижает надежность электроснабжения.
Известен ветрогенератор с вертикальной осью вращения (пат.WO №2011098957 A1, МПК F03D3/04, F03D 3/06, опубл.18.08.2011 г.), который включает в себя, по меньшей мере, один ротор, содержащий вращающийся вал с вертикальной осью, и две опорные плиты, которые установлены вокруг указанного вала вращения и расположенные близко к его верхнему и нижнему концу, между которыми установлено множество радиальных лопастей, длиной от центрального вала вращения до периферии опорных пластин, что предотвращает радиальное пересечение ветром ротора. Между упомянутыми опорными пластинами находится множество первых дефлекторов, установленных попеременно с указанными лопастями, и вытянутых от периферии упомянутых опорных пластин до центрального вала вращения.
Данное техническое решение имеет следующие недостатки: форма вторых вертикальных дефлекторов, обеспечивающих радиальное сжатие входящего ветрового потока, не оптимизирует направление с закручиванием ветрового потока на рабочие лопасти турбины, кроме того, часть сжатого воздушного потока, создающего положительный момент на лопасти турбины, стравливается через узкие проемы, образованные между радиальными лопастями и внутренними (первыми) дефлекторами турбины, что в совокупности снижает общую эффективность преобразования.
Известна гелиоветровая энергетическая установка (пат. РФ №2714584, МПК F03D7/06, F03D1/04, F03D7/04, F03D11/04, опубл. 18.02.2020 г.), принятая за прототип, содержащая лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри ветронаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси лопастной ветровой турбины, фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установленный на верхней крышке. Лопастная ветровая турбина состоит из параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом, образующих пустотелые барабаны. Между внутренней поверхностью дисков жестко закреплены вертикальные лопасти, турбина размещена в центре ветронаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов, выполненных в совокупности с лопастями ветровой турбины в виде раскручивающихся спиралей, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу ветровой турбины, а концы отведены к периферии ветронаправляющего аппарата. Верхние края ветронаправляющих экранов соединены с верхней крышкой, нижние края соединены с нижней крышкой, образуя воздушные камеры сопла, в тело ветронаправляющих экранов встроены отсечные пластины, их концы, расположенные вблизи оси вращения турбины, установлены на ветронаправляющих экранах при помощи шарниров, выполненных с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси, а отсечные пластины односторонне прижаты к ветронаправляющим экранам прижимными механизмами.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом:
- ветряное колесо с лопастной ветровой турбиной имеет вертикальную ось вращения;
- электрогенератор расположен на оси ветровой турбины;
- фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установлен на верхней крышке;
- турбина размещена внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками;
- турбина размещена в центре равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов, выполненных в совокупности с лопастями ветровой турбины в виде раскручивающихся спиралей;
- верхние края ветронаправляющих экранов соединены с верхней крышкой, а нижние соединены с нижней крышкой и образуют воздушные камеры сопла;
- в тело ветронаправляющих экранов встроены отсечные пластины, выполненные с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси.
Недостатком прототипа является ограниченная возможность изменения входной площади воздушных камер сопел, т.к. оно осуществляется только в радиальном направлении, а также механическое ступенчатое регулирование давления воздушного потока на рабочие лопасти турбины, вследствие чего практически невозможно обеспечение стабильной скорости вращения электрогенератора. Это приводит к пульсации выходной мощности электрогенератора и снижению эффективности преобразования энергии воздушного потока. Кроме того, защитное отключение установки при ураганных скоростях ветрового потока снижает надежность электроснабжения.
Задачей предлагаемого изобретения является создание гелиоветровой энергетической установки повышенной мощности, обеспечивающей высокую надежность электроснабжения потребителей в широком диапазоне скоростей ветрового потока, включая низкопотенциальные, штормовые и ураганные потоки, и обладающей высоким коэффициентом полезного действия.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении надежности электроснабжения потребителей в широком диапазоне скоростей ветрового потока и обеспечении эффективного автономного функционирования независимо от направления ветрового потока с высоким коэффициентом полезного действия. Одновременно достигается значительное снижение уровня механического и аэродинамического шума.
Технический результат обеспечивается путем изменения входной поперечной площади воздушных камер сопел в осевом направлении, использования энергии ветра со всей боковой вертикальной площади установки и стабилизации номинальной скорости электрогенератора в широком диапазоне скоростей ветрового потока.
Технический результат достигается тем, что в известную гелиоветровую энергетическую установку, содержащую лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри ветронаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси лопастной ветровой турбины, фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установленный на верхней крышке, лопастную ветровую турбину, состоящую из параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом, образующими пустотелые барабаны, при этом между внутренней поверхностью дисков жестко закреплены вертикальные лопасти, турбина размещена в центре ветронаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов, выполненных в совокупности с лопастями ветровой турбины в виде раскручивающихся спиралей, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу ветровой турбины, а концы отведены к периферии ветронаправляющего аппарата, верхние края ветронаправляющих экранов соединены с верхней крышкой, нижние края соединены с нижней крышкой, образуя воздушные камеры сопла, в тело ветронаправляющих экранов встроены отсечные пластины, дополнительно введены реверсивные приводы и датчики углов открытия отсечных пластин, датчик скорости вращения и температуры статорных обмоток электрогенератора, датчики давления воздушного потока, устройство управления, при этом концы отсечных пластин, расположенные ближе к оси вращения ротора, соединены с поворотными валами отсечных пластин, выполненными с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси, поворотные валы отсечных пластин механически связаны с реверсивными приводами и датчиками углов открытия отсечных пластин, вертикальный поворотный вал связан с датчиком скорости вращения, в электрогенератор встроен датчик температуры статорных обмоток электрогенератора, воздушные камеры сопла содержат датчики давления воздушного потока, при этом выходы датчиков углов открытия отсечных пластин, датчиков давления воздушного потока, датчика скорости вращения и датчика температуры статорных обмоток электрогенератора соединены с входами устройства управления, а выходы устройства управления соединены с входами реверсивных приводов отсечных пластин.
Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности может быть расположена на башне-опоре, установленной на фундаменте.
Рекомендуется в гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности нижнюю крышку установки выполнять в виде пустотелой конусообразной скрученной призмы, концентричной оси вращения турбины и обращенной своим большим основанием к низу.
Рационально в гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности в тропическом исполнении верхнюю крышку выполнять преимущественно в виде пустотелой конусообразной скрученной призмы, концентричной оси вращения турбины и обращенной своим большим основанием вверх.
При выполнении гелиоветровой энергетической установки повышенной мощности в тропическом исполнении части спиралевидных ветронаправляющих экранов, находящиеся у ветровой турбины, могут быть выполнены пустотелыми, а пустоты совмещены с отверстиями в верхней и нижней крышках с формированием каналов ливневой канализации.
Целесообразно в гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности в арктическом исполнении верхнюю крышку выполнять в виде плоскости, выпуклой поверхности, наклонных плоскостей, купола, пустотелого усеченного конуса, обращенного большим основанием книзу, пустотелой конусообразной скрученной призмы и обращенной большим основанием книзу, концентричных оси вращения турбины.
Предпочтительно вертикальные лопасти турбины в каждом пустотелом барабане смещать по кругу, относительно лопастей турбины другого пустотелого барабана с постоянным угловым шагом.
Рекомендуется в гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности для увеличения механической прочности с помощью крепежных балок нижняя крышка соединена с башней-опорой, или отдельными и/или взаимосвязанными фундаментами.
Возможно в гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности фотоэлектрический преобразователь световой энергии устанавливать на нижней крышке.
Рекомендуется в гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности нижнюю крышку использовать как крепежную площадку для электрогенератора, реверсивных приводов отсечных пластин и датчиков углов открытия отсечных пластин.
В гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности нижняя крышка может выполнять роль потолка закрытого помещения генераторного отсека.
Рационально гелиоветровую энергетическую установку повышенной мощности снабжать емкостным накопителем электрической энергии, соединенным через зарядный преобразователь DC/DC с фотоэлектрическим преобразователем солнечного излучения, а через зарядный преобразователь АC/DC соединять с цепью переменного тока.
Целесообразно воздушные камеры сопла в гелиоветровой энергетической установки повышенной мощности датчики для определения скорости и направления воздушного потока выполнять преимущественно в виде анемометров, датчиков давления, отклоняющихся пластин с переменными резисторами, лопастных механизмов с электрогенераторами.
В гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности емкостной накопитель преобразованной электрической энергии солнечного излучения и зарядные преобразователи DC/DC, АC/DC могут быть размещены в помещении генераторного отсека.
Рационально в гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности вокруг ветровой лопастной турбины между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами размещать по окружности изогнутые листы, ближние края которых должны быть расположены у ветровой турбины и совмещены с нижним диском турбины в горизонтальной плоскости, а их противоположные края опущены вниз и соединены с нижней крышкой, образуя в совокупности с нижним диском турбины концентричный оси вращения турбины пустотелый усеченный конус, вершина которого обращена вверх.
Рекомендуется в гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности вокруг ветровой лопастной турбины между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами размещать по окружности изогнутые листы, ближние края которых, находящиеся у ветровой турбины совмещены с верхним диском турбины в горизонтальной плоскости, а их противоположные края подняты вверх и соединены с верхней крышкой, образуя в совокупности с верхним диском турбины концентричный оси вращения турбины пустотелый усеченный конус, вершина которого обращена вниз.
В гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности механическая связь между поворотными валами отсечных пластин и реверсивными приводами может быть выполнена в виде винтовой передачи, закрепленной шестерни, конического зубчатого колеса на валу привода, шестерни на валу вращения, прямозубой шестерни, конического зубчатого колеса, коронной шестерни, дисковой шестерни, зубчатой рейки, фрикционно-дискового колеса, фрикционного диска, карданного соединения, червячного колеса, червячного винта, роликовой цепи, приводного ремня, зубчатого приводного ремня.
Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по сравнению с наиболее распространенными на данном этапе технического развития горизонтально осевыми установками, при одинаковой выходной мощности имеет следующие существенные преимущества: высокий коэффициент использования энергии ветра и пониженный уровень механического и аэродинамического шума. В установках с горизонтальными осями вращения из-за их конструктивных особенностей образуется высокий уровень аэродинамического шума, связанный с вибрацией лопастей при кручении струи, боковая поверхность лопастей, движущихся поперек ветрового потока, рассекает его, вихревые потоки, сходящие с концов лопастей ротора, образуют вредные для живых организмов низкочастотные инфразвуковые колебания. Например, низкочастотные колебания от ветроэнергетических установок мегаваттного класса, передающиеся через почву, вызывают ощутимый дребезг стекол в домах на расстоянии до 60 м.
В отличие от них, заявляемая установка, как и прототип, использует не ометаемую лопастями ротора площадь потока ветра, а всю входную боковую площадь, состоящей из общей площади проемов воздушных камер сопел, обращенных входами к ветровому потоку. Этим достигается использование всей входящей массы и момента аэродинамического давления воздушного потока только на рабочие лопасти турбины, которые не рассекают поток ветра поперечно, а движутся в одном направлении с перенаправленным и сжатым в воздушных камерах ветровым потоком, при этом нерабочие лопасти защищены от ветрового потока ветронаправляющими экранами.
Главные преимущества предлагаемого технического решения - значительное снижение уровня аэродинамического шума, эффективная генерация в широком диапазоне скоростей, включая низкопотенциальные, штормовые и ураганные ветровые потоки без отключения установки, высокий коэффициент использования ветра, автономность управления, отсутствие промежуточных редукторов между турбиной и электрогенератором, снижает уровень механического шума и трудоемкость при производстве, уменьшает потери энергии в механизмах, снижает массу и увеличивает межремонтные промежутки времени, повышает общий ресурс установки, и в конечном счете обеспечивает высокую надежность генерации.
Совокупность отличительных признаков, таких как реверсивные приводы и датчики углов открытия отсечных пластин, скорости вращения и температуры статорных обмоток, давления воздушного потока электрогенератора, устройство управления, соединения концов отсечных пластин, расположенных ближе к оси вращения ротора с вертикальными поворотными валами отсечных пластин, выполненными с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси, механическая связь поворотных валов отсечных пластин с реверсивными приводами и датчиками углов открытия отсечных пластин, а вала электрогенератора с датчиком скорости, введение в электрогенератор датчика температуры статорных обмоток, а в воздушные камеры сопла датчиков давления воздушного потока, связь выходов датчиков углов открытия отсечных пластин, датчиков давления воздушного потока, датчика скорости электрогенератора и датчика температуры статорных обмоток электрогенератора с входами устройства управления, а выходов устройства управления с входами реверсивных приводов отсечных пластин позволяют повысить надежность электроснабжения потребителей в широком диапазоне скоростей ветрового потока и обеспечить эффективное функционирование гелиоветровой установки независимо от направления ветрового потока с высоким коэффициентом полезного действия за счет оптимального управления поворотом отсечных пластин, на основе информации, фиксируемой датчиками, исключая возможность возникновения аварийных ситуаций при больших скоростях воздушного потока.
В уровне техники не обнаружено технического решения, которому были бы присущи все признаки заявленного изобретения. Заявленная гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности имеет существенные отличия от наиболее близких аналогов.
Следовательно, заявленное решение удовлетворяет условиям патентоспособности изобретения «новизна» и «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 – изображен осевой разрез установки без ветронаправляющих экранов,
на фиг. 2 - представлено схематическое изображение установки в горизонтальном сечении,
на фиг. 3 – изображено соединение входов/выходов устройства управления с компонентами энергетической установки, где стрелками показаны направления управляющих воздействий,
на фиг. 4, 5, 6, 7 - представлено схематическое изображение установки для разных режимов работы, вид сверху без верхней крышки, где направление движения воздушных потоков показаны стрелками,
на фиг. 8 – представлен разрез установки повышенной мощности тропического исполнения, вид с боку без ветронаправляющих экранов,
на фиг. 9 – изображена установка повышенной мощности тропического исполнения, вид с верху,
на фиг. 10, 11 – изображен вертикальный разрез установки повышенной мощности арктического исполнения, вид сбоку без ветронаправляющих экранов,
на фиг. 12 – приведена упрощенная электрическая схема силовой цепи постоянного тока установки.
Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности (фиг. 1), содержит лопастную ветровую турбину 1 с вертикальной осью вращения 2, расположенную внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней 3 и верхней 4 крышками, электрогенератор 5 на оси ветровой турбины, фотоэлектрический преобразователь 6 световой энергии, установленный на верхней 4 и/или нижней 3 крышках (фиг. 8, 9). Турбина 1, состоит из параллельных дисков 7, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом 8 (фиг.1), образующих пустотелые барабаны, при этом между внутренней поверхностью дисков 7 жестко закреплены вертикальные лопасти 9 (фиг. 4). Лопастная ветровая турбина 1 размещена в центре равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15 (фиг. 2, 4, 5, 6), выполненных в совокупности с лопастями 9 ветровой турбины 1 в виде раскручивающихся спиралей, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу 8 ветровой турбины 1, а концы отведены к периферии. Верхние края ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15, соединены с верхней крышкой 4, а нижние соединены с нижней крышкой 3, образуя воздушные камеры сопла 16, 17, 18, 19, 20, 21 (фиг. 2, 4), предназначенные для защиты от встречного воздушного потока нерабочих лопастей турбины 1. Такая конструкция обеспечивает закручивание ветрового потока с оптимизацией угла его подачи на лопасти и увеличение давления воздушного потока на рабочие лопасти 9 (фиг. 4) турбины 1. Это достигается за счет уменьшения площади поперечного сечения воздушных камер сопел 16, 17, 18, 19, 20, 21 (фиг. 2). В тело ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15, встроены отсечные пластины 22, 23, 24, 25, 26, 27, их концы, расположенные ближе к оси вращения ротора, соединены с вертикальными поворотными валами отсечных пластин 28, 29, 30, 31, 32, 33 (фиг. 2), выполненными с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси вращения. Поворотные валы отсечных пластин 28, 29, 30, 31, 32, 33 механически связаны с реверсивными приводами 34, 35, 36, 37, 38, 39 и датчиками углов открытия 40, 41, 42, 43, 44, 45 (фиг. 2), вал электрогенератора 5 связан с датчиком скорости 46 (фиг. 1). В электрогенератор 5 встроен датчик температуры статорных обмоток электрогенератора 47 (фиг. 3), а воздушные камеры сопла 16, 17, 18, 19, 20, 21 содержат датчики давления воздушного потока 48, 49, 50, 51, 52, 53 (фиг. 2). При этом (фиг. 3) выходы датчиков углов открытия 40, 41, 42, 43, 44, 45 отсечных пластин, датчиков давления 48, 49, 50, 51, 52, 53 воздушного потока, датчика скорости электрогенератора 46 и датчика температуры 47 обмоток электрогенератора соединены с входами устройства управления 54, а выходы устройства управления 54 соединены с входами реверсивных приводов 34, 35, 36, 37, 38, 39 отсечных пластин и пультом управления 55, к входу которого может быть подключен внешний анемометр 56. Гелиоветровая установка расположена на башне-опоре 57, установленной на фундаменте 58, нижняя крышка 3 установки жестко соединена с башней-опорой 57 и выполнена (фиг. 8, 10) в виде пустотелой конусообразной скрученной призмы концентричной вертикальной оси вращения турбины 2 и обращенного своим основанием книзу. Верхняя крышка 4 выполнена в виде плоскости и/или пустотелой конусообразной скрученной призмы, концентричного вертикальной оси вращения турбины 2 и обращенного своим основанием кверху.
Нижняя крышка 3 является крепежной площадкой для электрогенератора 5, реверсивных приводов 34, 35, 36, 37, 38, 39 и датчиков углов открытия 40, 41, 42, 43, 44, 45 отсечных пластин (фиг. 2).
Рационально в гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности (фиг. 1), вокруг ветровой лопастной турбины между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами размещать по окружности дополнительные изогнутые листы 68, ближние края которых, находящиеся у ветровой турбины, совмещены с нижним диском турбины в горизонтальной плоскости, а их противоположные края опущены вниз и соединены с нижней крышкой, образуя в совокупности с нижним диском турбины концентричный оси вращения турбины, пустотелый усеченный конус, вершина которого обращена вверх.
Кроме того, вокруг ветровой лопастной турбины между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами размещены по окружности изогнутые листы 67, ближние края которых находящиеся у ветровой турбины, совмещены с верхним диском турбины в горизонтальной плоскости, а их противоположные края подняты вверх и соединены с верхней крышкой, образуя в совокупности с верхним диском турбины концентричный оси вращения турбины пустотелый усеченный конус, вершина которого обращена вниз.
Основное назначение изогнутых листов 67, 68 (фиг. 1) состоит в перенаправлении сжатого ветрового потока в осевом направлении от щелевых зазоров, образовавшихся между верхним диском турбины и верхней крышкой, а также между нижним диском турбины и нижней крышкой на рабочие лопасти турбины 9. Этим повышается КПД преобразования кинетической энергии ветрового потока за счет уменьшения потерь положительного момента давления сжатых воздушных масс, а также создается возможность уменьшения массы лопастной турбины без снижения эффективности преобразования, за счет уменьшения высоты турбины.
Форма нижней крышки 3 может быть выполнена в виде купола, пустотелого усеченного конуса, концентричного оси вращения турбины и обращенного своим большим основанием вниз, а в приоритетном варианте для снижения материалоемкости и увеличения механической прочности, может быть выполнена в форме пустотелой конусообразной скрученной призмы, концентричной оси вращения турбины и обращенной своим большим основанием вниз, что в совокупности дополняет основное назначение спиралевидных ветронаправляющих экранов - сжатие входящего воздушного потока в радиальном направлении, обеспечивает увеличение входной площади воздушных камер сопел и сжатие входящего воздушного потока в осевом направлении и повышает давление на рабочие лопасти ветровой турбины 1.
Форма верхней 4 (фиг.9) крышки установки для тропического исполнения установки представляет собой пустотелую конусообразную скрученную призму, концентричную оси вращения турбины и обращенную своим большим основанием вверх, что также обеспечивает увеличение входной площади воздушных камер сопел и сжатие входящего воздушного потока в осевом направлении, увеличивает давление на рабочие лопасти ветровой турбины 1, и повышает КПД преобразования.
Турбина выполнена со смещением лопастей 9 в каждом пустотелом барабане относительно лопастей другого барабана с постоянным угловым шагом, обеспечивающего равномерное размещение всех лопастей по окружности турбины 1, это необходимо для создание постоянного момента на поворотном валу 8 и уменьшение вибрации.
Верхние 4 крышки для установок арктического исполнения могут быть выполнены в виде плоскости, выпуклой поверхности, купола, наклонных плоскостей, пустотелого усеченного конуса обращенного основанием книзу, пустотелой конусообразной скрученной призмы, обращенной большим основанием книзу, что предотвращает скопление на верхней крышке снежных осадков.
Фотоэлектрический преобразователь 6 установлен на верхней крышке 4, допускается также установка фотоэлектрического преобразователя 6 на нижней крышке 3. Он осуществляет преобразование солнечного излучения в электрическую энергию постоянного тока для питания устройства управления и реверсивных приводов 34, 35, 36, 37, 38, 39, (фиг. 12), включая регулируемый заряд емкостного накопителя электрической энергии 59, размещенного в генераторном отсеке 60. Это осуществляется с помощью преобразователя постоянного тока в постоянный DC/DC 61. При минимальном заряде емкостного накопителя 59 и отсутствия солнечного излучения, обязательным условием является возможность заряда емкостного накопителя 59 от резервной цепи переменного тока 62 с помощью преобразователя переменного тока в постоянный AC/DC 63, обеспечивая тем самым автономность и надежность функционирования установки. Емкостной накопитель электрической энергии 59 может быть выполнен в виде аккумуляторной батареи или конденсатора большой емкости. Энергия в конденсаторах запасается за счет физического накопления заряда, в отличие от аккумуляторов, работа которых основана на химических реакциях.
Для защиты оборудования гелиоветровой установки (фиг. 8, 10, 11) от негативного воздействия окружающей среды (ветра, высокой или низкой температуры, влажности и т.д.), генераторный отсек 60 выполнен закрытым, что повышает надежность функционирования установки и рабочий ресурс оборудования, так как практически всё электрооборудование, за исключением датчиков давления, конструктивно находятся в помещении генераторного отсека, включая механизмы реверсивных приводов отсечных пластин, где поддерживается оптимальная температура и влажность.
Для увеличения механической прочности нижняя крышка 3 соединена с башней-опорой 57 с помощью крепежных балок 64, а механическая прочность крепления верхней крышки 4 обеспечивается за счет спиралевидных ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15, жестко соединенных с нижней крышкой 3.
В гелеоветровой установке тропического исполнения (фиг. 8, 9) части спиралевидных ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15, находящиеся у ветровой турбины 1, выполнены пустотелыми, при этом пустоты совмещены с отверстиями в верхней и нижней крышках и образуют каналы 65 для ливневой канализации.
Заявляемая гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности, работает следующим образом.
При монтаже установки, воздушные камеры сопла 16, 17, 18, 19, 20, 21 (фиг. 2,4) устанавливаются с точной и однообразной ориентацией по сторонам света, что позволит в случае неисправности более одного датчика давления получать текущие параметры характеристик ветрового потока от другой гелиоветровой энергетической установки или с пульта управления 55 к которому подключен внешний анемометр 56 (фиг. 3).
В память устройства управления 54 заносятся: номинальная скорость и номинальная мощность электрогенератора 5, а также табличная зависимость выходной мощности от скорости вращения ротора электрогенератора, алгоритм работы отсечных пластин, расчетные значения скорости ветрового потока, определяемые по величине давления воздушного потока, измеренного с помощью датчиков давления 48, 49, 50, 51, 52, 53 (фиг. 4). Направление ветрового потока определяется устройством управления 54 по максимальной разности величин давлений между противоположными датчиками относительно вертикальной оси вращения вала турбины 2. Максимальная величина давления соответствует подветренной стороне, а минимальное значение давления - стороне с отходящим потоком. В соответствии с алгоритмом работы устройства управления 54 определяются расчетные углы открытия отсечных пластин 22, 23, 24, 25, 26, 27 (фиг. 2, 4, 5, 6, 7) в зависимости от направления и скорости ветрового потока.
На фиг. 4, направление движения воздушных потоков показаны стрелками, ветровой поток со всей боковой площади установки поступает в воздушные камеры сопла 18, 19, образованные жестко соединёнными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами 12, 13, 14, верхней 4 и нижней крышкой 3. Спиралевидная форма ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15 обеспечивает закручивание ветрового потока и оптимизирует угол его подачи на лопасти, осуществляя сжатие входящего воздушного потока в радиальном направлении. Нижняя крышка установки 3 с помощью крепежных балок 64, жестко соединена с башней-опорой 57 и выполнена (фиг. 8, 10) в виде пустотелой конусообразной скрученной призмы, концентричной оси вращения 2 турбины 1 и обращенной своим большим основанием вниз. Верхняя крышка 4 может быть выполнена в виде плоскости для арктического исполнения установки (фиг.10, 11) или скрученной призмы концентричной оси вращения турбины и обращенную своим большим основанием вверх для тропического исполнения установки (фиг 8, 9), что обеспечивает сжатие входящего воздушного потока в осевом направлении, повышает давление воздушного потока на рабочие лопасти 9 турбины 1 за счет уменьшения площади поперечного сечения воздушных камер сопел 18, 19 и увеличивает скорость вращения турбины 1.
В сопряженных с воздушными камерами 18 и 19 (фиг.4) воздушных камерах 17 и 20 за счет отражения воздушных потоков от ветронаправляющих экранов 12 и 14 образуются безветренные области с низким давлением, а в противоположных воздушным камерам 18 и 19 воздушных камерах 16 и 21 за счет отходящих воздушных потоков образуются области с еще более (разряженным) низким давлением. Устройство управления 54 с помощью датчиков давления 50, 51 установленных соответственно в воздушных камерах 18 и 19 с максимальными значениями давления и с помощью датчиков давления 48, 53, установленных соответственно в воздушных камерах 16 и 21 с минимальными значениями давления, определяет направление ветрового потока. Максимальная разность величин давлений между противоположными датчиками 50 и 53, 51 и 48 относительно центральной оси вращения вала турбины позволяет устройству управления 54 определить направление и расчетное значение скорости ветрового потока.
Турбина 1 под действием момента давления сжатых воздушных масс (фиг. 4) на рабочие вертикальные лопасти 9 в воздушных камерах соплах 18 19 начинает вращение вокруг своей вертикальной оси 2. Сжатые воздушные массы воздушной камеры 19, находящиеся в зоне турбины 1, при вращении турбины попадают в воздушную камеру 20 с более низким давлением и расширяясь, отталкиваются от лопасти, придают дополнительное ускорение турбине 1, при этом ветровой поток из воздушной камеры 19 продолжает совершать полезную работу в воздушной камере 20 под действием уменьшающегося давления воздушного потока на уходящую рабочую лопасть 9 турбины 1. Ослабленный ветровой поток перетекает в залопастное пространство в область пониженного (разряженного) давления воздушной камеры 21 с образованием отходящего ветрового потока.
Кроме того, объединенные массы потоков ветра, огибающие установку слева, справа, сверху, а также снизу с образованием отходящего ветрового потока, формируют в воздушных камерах 21 и 16 области низкого давления за счет отражения ветровых потоков от неподвижных ветронаправляющих экранов 15, 11 и массы объединенного отходящего ветрового потока.
Величина создаваемого вращающего момента на лопасти 9 имеет прямую зависимость от скорости ветра: чем больше скорость ветра, тем меньше величина давления в воздушных камерах 21, 16, и больше момент от давления приращенной массы в воздушной камере 20 и, соответственно, больше перепад давлений между сопряженными воздушными камерами 20 и 21. Одновременно снижается лобовое сопротивление лопастей турбины 1 воздушным потокам, проходящим через воздушные камеры 21 и 16, за счет увеличения разряженности в связи с возрастанием скорости отходящих воздушных масс. Процесс образования суммарных моментов силы, приложенных к лопастям турбины, увеличивает ее скорость вращения и обеспечивает значительное повышение КПД установки.
Турбина 1, вращаясь, передает вращающий момент поворотному валу 8, который механически связан с валом электрогенератора 5 (фиг. 1, 3) преобразующим механическую энергии вращения ротора в электрическую энергию. Поворотный вал 8 электрогенератора 5 также связан с датчиком скорости 46, выход которого соединен с входом устройства управления 54.
Устройство управления 54, осуществляет мониторинг скорости вращения электрогенератора 5 и определяет величину выходной мощности электрогенератора. При продолжающемся возрастании скорости ветрового потока (фиг. 5), возрастает давление в воздушных камерах соплах 18, 19, скорость вращения турбины, и соответственно электрогенератора, возрастает до номинальной скорости последнего. Основное приоритетное назначение устройства управления 54, аналогично функции мультипликатора горизонтально-осевых ветровых установок заключается в стабилизации номинальной скорости электрогенератора 5 и эффективном преобразовании энергии ветровых потоков в электрическую энергию с номинальной выходной мощностью электрогенератора 5.
В случае возрастания скорости вращения ротора электрогенератора выше номинальной, определяемой устройством управления 54, с помощью датчика скорости 46, (фиг. 1, 2, 3, 5) устройство управления 54 формирует управляющее воздействие на реверсивный привод 38, который передает вращающий момент через поворотный вал 32 отсечной пластине 26. Отсечная пластина 26 поворачивается вокруг вертикальной оси на заданный расчетный угол открытия, при этом угол открытия контролируется устройством управления 54 с помощью датчика угла открытия 44. Кроме того, по управляющему воздействию устройства управления 54 в воздушной камере 18 на реверсивный привод 36, который передает вращающий момент через поворотный вал 30 отсечной пластине 24, отсечная пластина 24 поворачивается вокруг вертикальной оси на заданный угол открытия, который контролируется устройством управления 54 с помощью датчика угла открытия 42, при этом уменьшается парусность и осевое скручивание ветронаправляющего аппарата установки.
Вследствие этого (фиг. 5), часть сжатого воздушного потока через проемы, образованные приоткрытыми отсечными пластинами 24, 26 в ветронаправляющих экранах 12, 14 отводится в воздушные камеры 17, 20 и отражаясь от ветронаправляющих экранов 11, 15, не совершая полезной работы, отводится в стороны от установки. Давление на рабочие лопасти 9 турбины 1 в воздушных камерах 18, 19 снижается и соответственно снижается скорость вращения электрогенератора 5 до номинальной скорости. Коррекция углов открытия отсечных пластин 24, 26 и контроль углов производится устройством управления 54 в прямой зависимости от номинальной скорости электрогенератора 5 в соответствии с алгоритмом функционирования автоматической замкнутой системы регулирования.
При последующем возрастании скорости ветрового потока (фиг. 6), для стабилизации номинальной скорости вращения ротора электрогенератора 5, по управляющему воздействию устройства управления 54 в воздушной камере 18 на реверсивный привод 37, который передает вращающий момент через вал 31 отсечной пластине 25, отсечная пластина 25 поворачивается вокруг вертикальной оси 2 на заданный угол открытия, который контролируется устройством управления 54 с помощью датчика угла открытия 43. Отсечная пластина 25 отводит часть воздушного потока в воздушные камеры 17, 19 и полностью отсекает от воздушного потока рабочие лопасти 9 турбины 1 в воздушной камере 18, тем самым исключает из работы воздушную камеру 18. В течение времени закрытия отсечной пластины 25 происходит постоянная коррекция углов открытия отсечных пластин 24, 26 с контролем углов устройством управления 54, в прямой зависимости от стабилизации номинальной скорости электрогенератора 5.
При дальнейшем повышении скорости ветрового потока (фиг. 7), до ураганной (более 30 м/с) возрастает давление в оставшейся в работе воздушной камере 19, устройство управления 54 с сохранением номинальной скорости электрогенератора 5, согласно заданному алгоритму работы отсечных пластин с помощью управляющего воздействия на реверсивные приводы 34, 36, 37, 39, закрывает отсечные пластины 24, 25, 27, 22, тем самым отсекает турбину 1 от воздушного потока в воздушных камерах 17, 18, 20, 21, уменьшая парусность всей установки, за счет образования проемов в ветронаправляющих экранах. Основная часть ветрового потока огибает турбину и перетекает по образованным каналам за лопастное пространство, не производя полезной работы. При этом устройство управления 54 стабилизирует номинальную скорость электрогенератора 5 путем изменения поперечной площади входящего воздушного потока на рабочие лопасти турбины 1 в воздушной камере 19 за счет регулирования угла открытия отсечной пластины 26, или путем изменения поперечной площади выходящего из турбины 1 воздушного потока в воздушной камере 16, за счет регулирования угла открытия отсечной пластины 23, при этом во втором случае осуществляется более плавное регулирование. Возможны и другие алгоритмы работы отсечных пластин, обеспечивающих сохранение номинальной скорости электрогенератора 5.
В случаях, когда для стабилизации номинальной скорости вращения электрогенератора 5, углы открытия отсечных пластин значительно превышают заданные расчетные значения, устройство управления 54 отправляет на пульт управления 55 предупреждающий сигнал, например, о возможных неисправностях подшипников турбины, подшипников электрогенератора 5 или оледенении турбины 1.
В случае повышения температуры обмоток электрогенератора 5, до максимально допустимой, определяемой устройством управления 54 с помощью датчика температуры 47, встроенного в электрогенератор, устройство управления 54 отправляет аварийный сигнал на пульт управления 55.
В одном из вариантов исполнения гелиоветровой установки повышенной мощности (фиг. 8, 10, 11) для защиты оборудования от негативного воздействия окружающей среды (ветра, высокой или низкой температуры, влажности и т.д.), может быть предусмотрен закрытый генераторный отсек 60 (помещение, отделение, камера), что увеличивает надежность и ресурс оборудования.
На фиг. 8 представлена гелиоветровая установка повышенной мощности тропического исполнения в разрезе, без ветронаправляющих экранов. На верхней 4 и нижней 3 крышках, с ориентацией по ходу движения солнца, размешены фотоэлектрические преобразователи 6. Технические характеристики емкостного накопителя 59 электрической энергии и количество секторов фотоэлектрических преобразователей, а также их выходная мощность выбираются, исходя из обеспечения надежного автономного функционирования устройства управления 54 и реверсивных приводов 34-39 в данном регионе.
В гелиоветровой установке тропического исполнения (фиг. 8, 9) части спиралевидных ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15, находящиеся у ветровой турбины 1, выполнены пустотелыми, пустоты совмещены с отверстиями в верхней и нижней крышках и формируют каналы 65 для ливневой канализации. При этом могут быть предусмотрены ливневые трубопроводы для отвода дождевой воды (на чертежах не показаны) от фундамента 58 башни-опоры 57 и сбор дождевой воды в резервуары для последующего использования пресной воды.
На фиг. 10, 11 представлен разрез гелиоветровой установки повышенной мощности арктического исполнения без ветронаправляющих экранов. В отличие от установки тропического исполнения, верхняя крышка 4 конструктивно выполняется плоской, либо в виде выпуклой поверхности, наклонных плоскостей, пустотелого усеченного конуса обращенного основанием к низу, конусообразной скрученной призмы, обращенной большим основанием к низу для защиты от скопления на верхней крышке снежных осадков. Закрытый генераторный отсек 60 увеличивает надежность и ресурс оборудования, в зимних условиях эксплуатации используется электрический обогрев генераторного отсека и тепловая энергия нагрева обмоток электрогенератора 5.
В заявляемой гелиоветровой энергетической установке повышенной мощности обеспечивается значительное повышение коэффициента использования энергии ветра (ξ), который определяется как отношение механической мощности на валу ветроколеса (Рвк) к мощности ветрового потока (Р):
ξ = Рвк/Р
Основные технические преимущества заявляемой установки - уменьшение давления потока ветра на лобовую площадь нерабочих лопастей турбины, повышение вращающего момента и обеспечение оптимального направления с закручиванием ветрового потока на рабочие лопасти турбины, использование энергии ветра со всей боковой вертикальной площади установки. Это позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра (ξ), перед известными техническими решениями с вертикальными осями вращения, например, ротором Савоуниса, ротором Дарье и т.д.
Основными местами размещения гелиоветровых энергетических установок повышенной мощности являются регионы с низкими или высокими среднегодовыми скоростями ветра, удаленные от центральных электрических сетей поселения и изолированные энергорайоны, а также регионы с низкими температурами окружающего воздуха, где работа ветровых установок с горизонтальной осью вращения неэффективна или ненадежна вследствие их конструктивных особенностей.
Например, для варианта установки арктического исполнения (фиг. 11), размещенной в северных широтах, где скорость ветровых потоков часто достигает штормовых и ураганных скоростей, для эффективной генерации, достаточно, чтобы высота башни-опоры составляла несколько метров и обеспечивалось расстояние ℓ (расстояние ℓ - указано на рисунке) от нижней крышки установки до поверхности земли от 4 до 6 метров. При этом крепежные балки 64 могут быть выполнены вертикальными и закрепленными не на башне-опоре 57, а на отдельных и/или взаимосвязанных фундаментах 66. Кроме того, рекомендуется периметр такой установки (между вертикальными балками) закрывать сэндвич-панелями для создания теплоизолированных вспомогательных помещений, например, складов, гаражей и т.д.
Конструктивные решения заявляемой гелеоветровой энергетической установки повышенной мощности обеспечивают следующие преимущества:
- эффективная генерация, в широком диапазоне скоростей, включая низко потенциальные, штормовые и ураганные ветровые потоки без отключения;
- высокий коэффициент использования кинетической энергии ветра;
- отсутствие дополнительных механических связей;
- пониженный уровень механического и аэродинамического шума;
- автономное электроснабжение регулирующих механизмов;
- автономность и надежность функционирования устройства управления;
- наличие емкостного источника электрической энергии;
- надежная работа установки в условиях повышенной влажности, в широком диапазоне низких и высоких температур окружающей среды от - 60 до + 60° С.
- эффективная работа установки 365 дней в году, даже при экстремально низких температурах, когда функционирование ветровых установок с горизонтальной осью вращения ограничено вследствие их конструктивных особенностей.
Заявляемая гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности обеспечивает комплексное использование энергии солнца и ветра для выработки электрической энергии, независимо от направления ветрового потока, автономность ее функционирования и значительное снижение уровня механического и аэродинамического шума. Увеличение входной поперечной площади воздушных камер сопел не только в радиальном, но и осевом направлении, использование энергии ветра со всей боковой вертикальной площади установки, стабилизации номинальной скорости электрогенератора в широком диапазоне скоростей ветрового потока, от низко потенциальных до ураганных потоков без отключения установки, приводит к общему повышению КПД и увеличению надежности электроснабжения конечного потребителя.
Заявляемое изобретение способствует созданию гелиоветровой энергетической установки повышенной мощности, обеспечивающей высокую надежность электроснабжения потребителей в широком диапазоне скоростей ветрового потока, включая низкопотенциальные, штормовые и ураганные потоки, и обладающую высоким коэффициентом полезного действия.
Перечень и наименование элементов
1. Лопастная турбина
2. Вертикальная ось вращения
3. Нижняя крышка
4. Верхняя крышка
5. Электрогенератор
6. Фотоэлектрический преобразователь
7. Параллельные диски турбины
8. Вертикальный поворотный вал
9. Вертикальные лопасти турбины
10, 11, 12, 13, 14, 15. Спиралевидные ветронаправляющие экраны
16, 17, 18, 19, 20, 21. Воздушные камеры сопла
22, 23, 24, 25, 26, 27. Отсечные пластины
28, 29, 30, 31, 32, 33. Поворотные валы отсечных пластин
34, 35, 36, 37, 38, 39. Реверсивные приводы отсечных пластин
40, 41, 42, 43, 44, 45. Датчики углов открытия отсечных пластин
46. Датчик скорости вращения
47. Датчик температуры обмоток электрогенератора
48, 49, 50, 51, 52, 53. Датчики давления воздушного потока
54. Устройство управления
55. Пульт управления
56. Анемометр
57. Башня-опора
58. Фундамент
59. Емкостной накопитель электрической энергии
60. Генераторный отсек
61. Преобразователь постоянного тока в постоянный DC/DC
62. Резервная цепь переменного тока
63. Преобразователь переменного тока в постоянный АC/DC
64. Крепежные балки
65. Каналы ливневой канализации
66. Фундаменты крепежных балок
67. Изогнутые листы
68. Дополнительные изогнутые листы
1. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности, содержащая лопастную турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри ветронаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси лопастной ветровой турбины, фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установленный на верхней крышке, лопастная турбина выполнена в виде параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом, образующих пустотелые барабаны, между внутренними поверхностями дисков установлены вертикальные лопасти, турбина размещена в центре ветронаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных спиралевидных ветронаправляющих экранов, выполненных в совокупности с лопастями ветровой турбины в виде раскручивающихся спиралей, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу, а концы отведены к периферии ветронаправляющего аппарата, верхние края ветронаправляющих экранов соединены с верхней крышкой, нижние края соединены с нижней крышкой, образуя воздушные камеры сопла, а в тело ветронаправляющих экранов встроены отсечные пластины, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены реверсивные приводы и датчики углов открытия отсечных пластин, датчик скорости вращения и температуры статорных обмоток электрогенератора, датчики давления воздушного потока, устройство управления, при этом концы отсечных пластин, расположенные ближе к оси вращения ротора, соединены с поворотными валами отсечных пластин, выполненными с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси, поворотные валы отсечных пластин механически связаны с реверсивными приводами и датчиками углов открытия отсечных пластин, вертикальный поворотный вал связан с датчиком скорости вращения, в электрогенератор встроен датчик температуры статорных обмоток электрогенератора, воздушные камеры сопла содержат датчики давления воздушного потока, при этом выходы датчиков углов открытия отсечных пластин, датчиков давления воздушного потока, датчика скорости вращения и датчика температуры статорных обмоток электрогенератора соединены с входами устройства управления, а выходы устройства управления соединены с входами реверсивных приводов отсечных пластин.
2. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что она расположена на башне-опоре, установленной на фундаменте.
3. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что нижняя крышка установки выполнена в виде пустотелой конусообразной скрученной призмы, концентричной оси вращения турбины и обращенной своим большим основанием книзу.
4. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что в тропическом исполнении она содержит верхнюю крышку, выполненную в виде пустотелой конусообразной скрученной призмы, концентричной оси вращения турбины и обращенной своим большим основанием вверх.
5. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что в тропическом исполнении части спиралевидных ветронаправляющих экранов, находящиеся у ветровой турбины, выполнены пустотелыми, а пустоты совмещены с отверстиями в верхней и нижней крышках и формируют каналы ливневой канализации.
6. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что в арктическом исполнении верхняя крышка выполнена в виде плоскости, выпуклой поверхности, наклонных плоскостей, купола, пустотелого усеченного конуса, обращенного большим основанием книзу, пустотелой конусообразной скрученной призмы, обращенной большим основанием книзу, концентричных оси вращения турбины.
7. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальные лопасти турбины в каждом пустотелом барабане смещены по кругу, относительно лопастей турбины другого пустотелого барабана с постоянным угловым шагом.
8. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что для увеличения механической прочности с помощью крепежных балок нижняя крышка соединена с башней-опорой, или отдельными и/или взаимосвязанными фундаментами.
9. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что фотоэлектрический преобразователь световой энергии установлен на нижней крышке.
10. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена емкостным накопителем электрической энергии, который через зарядный преобразователь DC/DC электрически связан с фотоэлектрическим преобразователем солнечного излучения, а через зарядный преобразователь АC/DC электрически связан с цепью переменного тока.
11. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что датчики для определения скорости и направления воздушного потока выполнены в виде анемометров, или датчиков давления, или отклоняющихся пластин с переменными резисторами, или лопастных механизмов с электрогенераторами.
12. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что вокруг ветровой лопастной турбины между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами размещены по окружности изогнутые листы, ближние края которых, находящиеся у ветровой турбины, совмещены с нижним диском турбины в горизонтальной плоскости, а их противоположные края опущены вниз и соединены с нижней крышкой, образуя в совокупности с нижним диском турбины концентричный оси вращения турбины пустотелый усеченный конус, вершина которого обращена вверх.
13. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что вокруг ветровой лопастной турбины между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами размещены по окружности изогнутые листы, ближние края которых, находящиеся у ветровой турбины, совмещены с верхним диском турбины в горизонтальной плоскости, а их противоположные края подняты вверх и соединены с верхней крышкой, образуя в совокупности с верхним диском турбины концентричный оси вращения турбины пустотелый усеченный конус, вершина которого обращена вниз.
14. Гелиоветровая энергетическая установка повышенной мощности по п. 1, отличающаяся тем, что механическая связь между поворотными валами отсечных пластин и реверсивными приводами выполнена в виде винтовой передачи, закрепленной шестерни, конического зубчатого колеса на валу привода, шестерни на валу вращения, цилиндрической шестерни, прямозубой шестерни, конического зубчатого колеса, коронной шестерни, дисковой шестерни, зубчатой рейки, фрикционно-дискового колеса, фрикционного диска, карданного соединения, червячного колеса, червячного винта, роликовой цепи, приводного ремня, зубчатого приводного ремня.
