ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МАШИНА

Полезная модель относится к энергомашиностроению, в частности к ветроэнергетическим машинам.
Аналогом заявляемой полезной модели является средство того же назначения - ветроэнергетическая машина, содержащая реактивную турбину, установленную на валу, опертом на подшипники, жестко связанные с платформой, генератор электрического тока, кинематически связанный с турбиной, и устройство управления внешней нагрузкой на генератор по закону изменения аэродинамической нагрузки на турбину. Библиографические данные источника информации - патент на изобретение №2297549 «Способ максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразование ее в электрическую энергию и устройство для его осуществления». Патентообладатели и авторы: Алатин Павел Дмитриевич (RU), Дигоран Ирина Павловна (RU).
В указанном аналоге турбина выполнена осевой, т.е. имеет меньшую механическую проводимость по сравнению с радиальной, что препятствует получению технического результата - максимальному извлечению кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока в области высоких частот в приземном слое воздуха.
Отличиями являются:
- в осевой реактивной турбине разность давлений на входе в реактивные сопла создается скоростным напором потока на площадь турбины, а давление на выходе из сопла равно донному давлению при обтекании потоком тела турбины;
- в радиальной ветротурбине давление на входе в реактивные сопла создается также скоростным напором потока, но в отличие от осевой турбины, давление на выходе из реактивных сопел, создается в соответствии с законом Бернулли за счет сужения струи воздуха, обтекающей турбину с ее боков. В последнем случае разность давлений имеет большую величину по сравнению с разностью давлений в осевой турбине. Кроме того, в осевой турбине реактивные сопла расположены на радиусах и под углом к плоскости турбины, что не обеспечивает максимальный вращающий момент реактивных сил на валу турбины;
- в радиальной реактивной турбине реактивные сопла расположены на максимальном расстоянии от оси вала турбины и перпендикулярно к плоскости вращения турбины. Поэтому, при тех же величинах тяги в реактивных соплах реактивной турбины обеспечивается значительно больший вращающий момент при той же скорости ветра, по сравнению с осевой турбиной того же диаметра и достигается большее значение коэффициента полезного действия;
- изготовление парусов радиальной реактивной турбины проще, чем в осевой реактивной турбине, поскольку они имеют форму прямоугольника.
Указанный результат - максимальное извлечение кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока в области высоких частот в приземном слое воздуха достигается тем, что ветроэнергетическая машина для максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразования ее в электрическую энергию, в которой обеспечивают торможение воздушного потока, реализуют потенциал напора воздуха в кинетическую энергию струй и приводят во вращение ротор электрогенератора, снабженного устройством управления внешней нагрузкой на генератор по закону изменения аэродинамической нагрузки на радиальную реактивную предельнонапорную турбину, с совершением работы по преобразованию энергии воздушного потока в электрическую энергию, характеризующаяся тем, что отбор кинетической энергии потока воздуха осуществляют реактивной радиальной предельнонапорной с высокой механической проводимостью турбиной, выполненной в виде жестко посаженного диска с укрепленными на нем двадцатью четырьмя Г-образными реями, двенадцать из которых образуют внешний и двенадцать -внутренний контур турбины, двенадцати строп, двенадцати парусов, натянутых на смежные внутренние и внешние реи (образуют реактивные поверхности, пространство между смежными парусами образуют реактивные сопла турбины, ограниченные с одной стороны диском турбины, а с другой - бандажом), и бандажа, прикрепленного к концам рей, при этом торможение потока осуществляют по всей сметаемой поверхности турбины, установленной на валу, опертом на подшипники, жестко связанные с поворотной платформой, а в качестве электрогенератора используют малоинерционный, осевой, синхронный, многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением, кинематически связанный с турбиной через шкив ременной передачей, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор представляет собой центробежный регулятор, кинематически связанный с валом турбины и электрически связанный с генератором, поворотная платформа, жестко связанная с вертикальной опорой в основании опертой на вертикальный шарнир, вверху вертикальная опора находится внутри шайбы, опертой на подшипник, жестко связанный с опорой, к шайбе прикреплены четыре растяжки, обеспечивающие фиксацию ветроэнергетической машины в вертикальном положении, причем нижние концы растяжек прикреплены к сваям, центральное тело турбины закрыто коком.
Платформа выполнена с возможностью нацеливания на ветер поворотом всей платформы вместе с жестко связанной с ней опорой, имеющей в основании вертикальные и горизонтальные шарниры, поворот опоры осуществляется посредством рычага, шарнирно укрепленного в основании опоры и фиксируется путем опускания рычага его прорезью на один из фиксаторов, установленных на равных углах и радиусах вокруг опоры. Генератор электрического тока установлен на поворотной платформе. Установка ветроэнергетической машины в вертикальное положение и обратно в горизонтальное осуществляется путем поворота ее относительно горизонтального шарнира в основании опоры. Опускание и подъем ветроэнергетической машины производится в плоскости розы ветров путем освобождения проушины главной растяжки от крепления на свае. Перед подъемом или опусканием ветроэнергетической машины необходимо рычаг поворота опоры установить перпендикулярно к плоскости вращения вокруг горизонтального шарнира опоры. Опускание ветроэнергетической машины возможно либо турбиной вниз, либо генератором вниз. Приведение турбины в рабочее положение осуществляется поворотом на ветер, вывод турбины из рабочего положения осуществляется поворотом турбины в противоположную сторону, т.е. по ветру.
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
Фиг.1 - блок-схема ветроэнергетической установки, вид спереди;
Фиг.2 - блок-схема ветроэнергетической установки, вид сбоку;
Фиг.3 - генератор электрического тока в разрезе;
Фиг.4 - ротор генератора электрического тока в разрезе.
Для пояснения сущности полезной модели приложены фотографии устройства.
Ветроэнергетическая машина содержит реактивную радиальную предельнонапорную с высокой механической проводимостью турбину с бандажем 1, с валом 2, опертом на подшипники 3, жестко связанные с поворотной платформой 4, турбина выполнена в виде жестко посаженного диска 5 с укрепленными на нем двадцатью четырьмя Г-образными реями 6, двенадцать из которых образуют внешний и двенадцать - внутренний контур турбины, двенадцати строп 7, двенадцати парусов 8, натянутых на смежные внутренние и внешние реи (образуют реактивные поверхности, пространство между смежными парусами образуют реактивные сопла турбины, ограниченные с одной стороны диском турбины, а с другой - бандажом), генератор электрического тока 9, кинематически связанный с турбиной, с валом 10, подшипниками 11, неподвижными опорными дисками статора 12, дисками ротора 13, катушками статора с кольцевыми магнитопроводами 14, катушками ротора с магнитопроводами 15, приводным шкивом 16, реле-регулятор напряжения электрического тока 17, буферный электрохимический аккумулятор электрического тока 18, включатель-выключатель системы - центробежный регулятор включения 19, включатель электрической емкости (накопителя) от положительной клеммы аккумулятора 20, генератор электрического тока выполнен малоинерционным, осевым, синхронным и многополюсным с внешним возбуждением, установлен на поворотной платформе 4, кинематически связанный с турбиной через шкив ременной передачей 21, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор представляет собой центробежный регулятор, кинематически связанный с валом турбины и электрически связанный с генератором, поворотная платформа 4, жестко связанная с вертикальной опорой 22, в основании опертой на вертикальный шарнир 23, опертый на подшипник, вверху вертикальная опора находится внутри шайбы 24, опертой на подшипник, жестко связанной с опорой, к шайбе прикреплены четыре растяжки 25, которые обеспечивают фиксацию ветроэнергетической машины в вертикальном положении, причем нижние концы растяжек прикреплены к сваям 26. Растяжки соединены одним концом через проушину с опорной шайбой, а вторым концом через винтовой натяжитель, серьгу и проушину со сваей. Главная растяжка, устанавливаемая в направлении розы ветров на наветренную сторону, усилена двумя дополнительными растяжками, предотвращающими клинение шайбы 24 при повороте опоры. Эти дополнительные растяжки соединены своими концами с проушинами соседних растяжек. На шайбе расположены два рокера 27 с прижимными пружинами, обеспечивающими электрический контакт с подвижными токопроводящими кольцами 28, укрепленными на опоре выше шайбы, токопроводящие кольца электрически соединены: верхнее кольцо с центробежным регулятором внешней нагрузки на турбину и верхним рокером, который соединен с плюсовой клеммой аккумулятора; нижнее токопроводящее кольцо электрически соединено с плюсовой клеммой генератора и, через рокер, с внешней нагрузкой на генератор, минус генератора и минус реле-регулятора напряжения соединены на массу и через клемму на опорной шайбе соединены с отрицательной клеммой аккумулятора 18. Центробежный регулятор внешней нагрузки на турбину на массу не подключен и электрически соединен клеммой прерывателя с положительной клеммой аккумулятора, а изолированным от массы корпусом - с положительной клеммой реле регулятора напряжения и положительной клеммой генератора, обмотка возбуждения генератора соединена с соответствующей клеммой реле регулятора напряжения, защита электрической цепи производится с помощью плавких предохранителей, один из которых расположен в цепи положительной клеммы аккумулятора -прерывателя центробежного регулятора, второй предохранитель - в цепи внешней нагрузки на генератор. Центральное тело турбины закрыто коком 29 для упорядочения потока внутри турбины. Поворот опоры 22 осуществляется посредством рычага 31, шарнирно укрепленного в основании опоры, и фиксируется путем опускания рычага его прорезью на один из фиксаторов, установленных на равных углах и радиусах вокруг опоры.
Работает ветроэнергетическая машина следующим образом. Платформу устанавливают на некотором возвышении, ветротурбину устанавливают перпендикулярно вектору скорости ветра, в соответствии с розой ветров. Поток попадает на турбину, протекая сквозь сопла, раскручивает ее. Турбина через ременную передачу приводит в действие генератор электрического тока, с которого ток подается к потребителям. Работой генератора управляет автоматическая система, содержащая реле-регулятор напряжения электрического тока 17, буферный электрохимический аккумулятор электрического тока 18, автомат управления внешней нагрузкой на генератор электрического тока с центробежным регулятором 19, кинематически связанным с валом турбины 2, включатель электрической емкости (накопителя) от положительной клеммы аккумулятора 18.
Основные преимущества полезной модели заключаются в том, что турбина и генератор выполнены малоинерционными, а турбина является также предельнонапорной с высокой механической проводимостью, что позволяет ей эффективно работать как в установившемся, так и в турбулентном потоке. Отношение суммарной площади всех сопел к площади диска турбины составляет 0,20-0,25, что обеспечивает максимальную скорость истечения воздуха через сопла и при коэффициенте дрейфа 0,35-0,40 - обеспечивает максимальный коэффициент полезного действия ветроэнергетической машины.