Ветроэнергетическая турбинная установка
WIND-DRIVEN TURBINE POWER PLANT

Изобретение относится к энергетике, в частности к конструкциям ветроэнергетических установок, и может быть использовано для выработки электроэнергии из энергии ветра, при энергообеспечении обособленных объектов и подаче электроэнергии в местные или централизованные энергосистемы.
Система ветрогенерации понимается как технология для преобразования энергии ветра в механическую энергию, приведения в действие электрического генератора и выработки электроэнергии.
Такие системы ветрогенерации обычно подразделяют в зависимости от типа используемого ветрогенератора: с горизонтальным или с вертикальным валом. Ветрогенераторы с горизонтальным валом показывают высокую эффективность, но их работа зависит от направления ветра, в то время, как работа вертикальных ветрогенераторов менее зависима от направления ветра, несмотря на то, что их эффективность, по сравнению с ветрогенераторами с горизонтальным валом, не столь высока.
Ветрогенератор с вертикальным валом технически предпочтителен, т.к. он способен постоянно обеспечивать генерацию электрической энергии, при наличии ветрового воздействия, независимо от направления ветра. Эффективность выработки энергии зависит от площади ометания рабочих поверхностей ротора ветрогенератора, от направления и силы ветровых потоков, а также от состояния атмосферы.
Известен роторный ветродвигатель (RU № 127133, МПК F03D3/04, 2012г), содержащий вал ротора с установленными между верхней крышкой и днищем профилированными лопастями, имеющий возможность вращения между направляющими лопатками неподвижного статора, выполненного в виде жёсткой пространственной конструкции, состоящей из расположенных друг над другом крышки и днища с центральным отверстием для прохода ротора с изогнутыми лопастями ветровой турбины. Крышка и днище статора соединены друг с другом рядом равномерно расположенных вдоль периметра днища изогнутых направляющих лопаток. Воздухонаправляющий элемент статора, предназначенный для изменения направления ветрового потока и выполнен в виде усечённого конуса. Роторный ветродвигатель снабжён, установленным над статором и жёстко прикреплённым к нему, воздуховодом, имеющим кольцеобразное поперечное сечение, уменьшающееся от статора кверху и заканчивающееся трубой на его узком конце. Изобретение позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра за счет изменения направления воздушного потока, оказавшегося внутри полого пространства ротора ветровой турбины вдоль оси роторного ветродвигателя и воздуховода, с уменьшающимся поперечным сечением.
Однако стремление уйти от завихрений радиального ветрового потока внутри ветровой турбины посредством конического воздухонаправляющего элемента, изменяющего направление воздушного потока вдоль оси ветродвигателя в сужающийся воздуховод, после его сжатия изогнутыми лопатками статора и оказания воздействия на лопатки ротора, не позволит добиться ощутимого эффекта из-за незначительной площади ометаемой поверхности рабочих лопаток ротора. Снижение степени торможения скорости вращения ротора достигается ценой увеличения материалоемкости и ростом технической сложности конструкции ветродвигателя. Удельная стоимость затрат на выработку электроэнергии этой конструкции ветродвигателя чрезмерно высока.
Известен вертикально-осевой ветрогенератор (RU № 125264, кл. F03D3/04, 2012г), имеющий средства взаимодействия с воздушным потоком, включающие соединенные с установленными в каркасе с возможностью вращения на подшипниковых опорах, связанные с электрогенератором средствами передачи момента вращения рабочие пластины, изогнутых в вертикальной и горизонтальной плоскости. В вертикальной плоскости рабочие пластины изогнуты по спирали, а средства взаимодействия с воздушным потоком выполнены в виде соединенных со свободными концами рабочих пластин и разнесенных в осевом направлении, по меньшей мере, четырех парных колец, с образованием, по меньшей мере, двух секций. Каждая из рабочих пластин в секции размещена между двумя кольцами и ориентирована таким образом, что, по меньшей мере, две из секций вращаются встречно. Электрогенератор размещен между встречно вращающимися секциями. Средства передачи момента вращения выполнены в виде соединяющих ротор и статор электрогенератора с рабочими пластинами встречно вращающихся секций и валов. Рабочие пластины изогнуты в горизонтальной плоскости таким образом, что образуют в любом горизонтальном сечении один период синусоиды. Угол поворота по спирали каждой из рабочих пластин в вертикальной плоскости составляет не менее 30°.
Использование открытых рабочих пластин спиралевидной формы в быстро вращающихся во встречных направлениях роторных секциях представляется опасным и не позволит, в полной мере, обеспечивать отвод предварительно сжатых в замкнутых каналах воздушных масс.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является ветроэнергетический агрегат с вертикальной осью вращения (RU № 2352810, кл. F03D3/04, 2007г). Ветроэнергетический агрегат включает электрический генератор, установленный между двумя блоками ветровой турбины и снабженный валом на статоре. Ротор и статор генератора соединены с роторами блоков. Пластины статора выполнены вогнуто-выпуклыми, а лопатки ротора - выпукло-вогнутыми. Ротор верхнего блока установлен с возможностью вращения по часовой стрелке и соединен с ротором генератора, а пластины статора и лопатки ротора нижнего блока установлены в положении вращения ротора турбины и соединенного с ним статора генератора против часовой стрелки.
Недостатком известного ветроэнергетического агрегата является не высокий коэффициент использования энергии ветра. Ветровой поток, после завершения воздействия на рабочие лопатки роторов турбин, сжимается и создает внутри турбин воздушные завихрения, тормозящие скорость вращения роторов, снижая энергетический эффект от воздействия на рабочие лопатки роторов турбин.
Проблемой, на которую направлено изобретение, является усовершенствование ветроэнергетической турбинной установки блочного типа с вертикальной осью вращения, обеспечивающей увеличение коэффициента использования энергии ветра.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования энергии ветра за счет повышения площади ометания рабочих поверхностей роторов и статора и относительной скорости вращения статора и ротора электрогенератора.
Согласно изобретению
Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются тем, что ветроэнергетическая турбинная установка включает установленные на вертикальной оси блоки ветровой турбины, между которыми смонтирован электрогенератор, каждый из блоков ветровых турбин содержит неподвижный статор с вогнуто-выпуклыми пластинами и вращающийся ротор с выпукло-вогнутыми лопатками, установленные с возможностью встречного вращения относительно смежных блоков ветровой турбины, ротор и статор электрогенератора механически соединены с роторами блоков.  ротор каждого блока ветровой турбины выполнен в виде жесткой пространственной конструкции, дополнительно включающей торцевые ветровые колеса с вогнуто-выпуклыми лопатками, равномерно расположенными по периметру ветровых колес. Между торцевыми ветровыми колесами установлен геликоид, закрепленный на валу и выполненный в виде винтового крыла. Торцевые ветровые колеса роторов неразрывно соединены между собой выпукло-вогнутыми лопатками, равномерно распределенными по их периметру. Выпукло-вогнутые лопатки торцевых ветровых колес, винтовые крылья геликоидов роторов и вогнуто-выпуклые пластины статоров смонтированы с возможностью обеспечения встречного вращения роторов смежных блоков ветровых турбин. На торцах ветроэнергетической турбинной установки смонтированы конические воздуховоды, плавно переходящие в цилиндрические трубы.
Вогнуто-выпуклые пластины статора блока ветровой турбины установлены с возможностью образования между смежными пластинами аэродинамического канала за счет плавно сужающегося в сторону ротора промежутка между пластинами.
Винтовая поверхность геликоида выполнена с углом поворота по спирали в вертикальной плоскости преимущественно от 15 до 45°
Кромкивогнуто-выпуклых пластин статора и выпукло-вогнутых лопаток ротора, для повышения их прочности, выполнены загнутыми в направлении радиусов изгиба пластин и лопаток на 180°.
По периметру основания с внутренней стороны конических воздуховодов жестко прикреплен обод с крепежными пластинами, для их присоединения к внешним блокам ветровых турбин.
Блоки ветровойтурбины между собой стянуты профильными стяжками, на которых закреплен защитный экран электрогенератора.
Защитный экран желательно выполнять составным, части которого соединены между собой резьбовыми винтами.
Блоки ветровой турбиныустановлены и закреплены болтами к опорной рамной конструкции, прикрепленной гайками к закладным элементам фундамента.
Установка, как правило, снабжена съемными лестничными секциями, прикрепленными копорной рамной конструкции и к профильным стяжкам блоков ветровой турбины.
Количество блоков ветровой турбины может быть от 2 до 6. Валы роторов блоков ветровых турбин, расположенных с каждой из сторон электрогенератора, соединены между собой упругими муфтами в единый блок с обеспечением возможности встречного вращения.
Дополнительная установка геликоида между торцевыми ветровыми колесами роторов блоков ветровых турбин, позволяет обеспечить дополнительный направленный ламинарный разгон входящих в них, на разных уровнях, воздушных ветровых потоков и их осевое воздействие на торцевые ветровые колеса роторов ветроэнергетических турбин. Разгоняемый, после прохождения вогнуто-выпуклых пластин статора, ветровой поток, после соприкосновения с поверхностью винтового крыла геликоида, изменяет направление движения на 90º за счет угла поворота по спирали в вертикальной плоскости от 15 до 45°, что позволяет избежать турбулентности ветрового потока внутри блоков ветровых турбин. После попадания ветрового потока внутрь ротора блока ветровой турбины, вследствие сжатия воздуха и неизбежного эффекта подтормаживания скорости вращения ротора и потери энергии ветра, перенаправленный таким образом ветровой поток не только не участвует в торможении скорости вращения ротора, но напротив, приобретает дополнительное ускорение. Ветровой поток, после изменения направления, проходит через вогнуто-выпуклые лопатки торцевых ветровых колец, создавая при этом дополнительный момент вращения, и далее отводится вдоль вертикальной оси установки за пределы блоков ветроэнергетических турбин, способствуя увеличению энергоотдачи установки в целом.
При этом если угол поворота по спирали в вертикальной плоскости будет меньше 15°, то скорость вращения ротора и момент вращения будут уменьшаться, а скорость прохождения воздушного потока возрастет. Если же угол будет превышать 45°, то скорость вращения ротора и момент вращения будут также снижаться, а скорость прохождения воздушного потока - уменьшаться. Значительная энергия потока будет затрачиваться на усилие отрыва, направленного вдоль оси ротора.
Наличие с торцов ветроэнергетической установки конических воздуховодов плавно переходящих в цилиндрическую трубу обеспечивает ветровому потоку дополнительное ускорение и увеличивает общий объем воздушного потока, проходящего через ветроэнергетическую турбинную установку и ее энергоотдачу.
Расположение вогнуто-выпуклых пластин статора блока ветровой турбины, с возможностью образования между пластинами аэродинамического канала, за счет плавно сужающегося в сторону ротора промежутка между пластинами, способствует увеличению энергоотдачи турбин благодаря увеличению скорости прохождения воздушного потока, а также вовлечению в блоки ветровых турбин больших воздушных объемов.
Конструктивное исполнение блоков ветровых турбин обеспечивает направленный ламинарный разгон ветровых потоков, входящих в них на разных уровнях, проходящих по воздуховодам, с уменьшающимся сечением на выходе, с трехступенчатым воздействием, по ходу движения потока на рабочие поверхности роторов блоков ветровых турбин, каждый из которых независимо вращается навстречу друг другу, за счет ориентации направляющих пластин статора и рабочих поверхностей ротора. Скорости вращения роторов каждого блока ветровых турбин, входящих в состав ветроэнергетической турбинной установки, возрастают. Относительная скорость вращения ротора и статора электрогенератора, соединенного с роторами блоков ветровых турбин, вращающихся в противоположном направлении, также возрастает, по крайней мере, вдвое.
Для удобства сборки турбин и исключения резких воздействий ветра на элементы конструкции она оснащена упругими муфтами для соединения валов роторов турбин между собой и с валами ротора и статора электрогенератора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 – продольный разрез ветроэнергетической турбинной установки; на фиг. 2 – поперечный разрез А-А конического воздуховода, где видно торцевое ветровое колесо ротора; на фиг. 3 – поперечный разрез Б-Б ветроэнергетической турбины, где отражено взаимное расположение лопаток ротора и пластин статора; на фиг. 4 – ротор ветроэнергетической турбины, на фиг. 5 представлен общий вид ветроэнергетической турбинной установки.
Ветроэнергетическая турбинная установка включает смонтированные на вертикальной оси блоки 1 ветровой турбины, которые закреплены болтами к опорной рамной конструкции 2. прикрепленной гайками к закладным элементам фундамента (на фиг. не показано). Между блоками 1 расположен электрогенератор 3. Каждый из блоков 1 ветровых турбин содержит неподвижный статор 4, и вращающийся ротор 5. Роторы 5 смежных блоков 1 ветровой турбины установлены с возможностью встречного вращения. Ротор и статор (на фиг. не показано) электрогенератора 3 механически соединены с роторами 5 блоков 1 ветровых турбин посредством упругих муфт 6 и 7.
Ротор 5 выполнен в виде неразборной конструкции, состоящей из двух торцевых ветровых колес 8 с вогнуто-выпуклыми лопатками 9. Торцевые колеса 8 соединены между собой вертикальными выпукло-вогнутыми лопатками 10 ротора 5. На валу 11, расположенном между торцевыми ветровыми колесами 8 закреплен геликоид 12. Винтовая поверхность геликоида 12 выполнена с углом поворота по спирали в вертикальной плоскости от 15 до 45°. С противоположных торцов ветровой турбинной установки смонтированы конические воздуховоды 13 и 14, каждый из которых плавно переходят в трубу 15 и 16 соответственно. Изогнутая форма винтового крыла геликоида 12 позволяет не только изменить направление ветрового потока на 180º, в направлении сужающегося поперечного сечения конических воздуховодов 13 и 14, но и придать ему дополнительное ускорение, при сохранении прочности конструкции крыла.
Статор 4 представляющий собой неразборную конструкцию с вогнуто-выпуклыми пластинами 17 (фиг. 3). Вогнуто-выпуклые пластины 17 смонтированы с возможностью образования между ними аэродинамического канала 20 за счет плавно сужающегося в сторону ротора 5 промежутка между пластинами 17.
Вогнуто-выпуклых пластин 17 статоров 4 и рабочие поверхности вогнуто-выпуклых лопаток 10 роторов 5 смежных блоков 1 ветровых турбин обеспечивают возможность встречного вращения роторов 5.
Для придания повышенной прочности, кромкивогнуто-выпуклых пластин 17 статора 4 и выпукло-вогнутых лопаток 10 ротора 5, выполнены загнутыми на 180°, в направлении радиуса изгиба, что позволяет уменьшить толщину материала, из которого они изготовлены и снизить общую массу установки, для увеличения коэффициента использования ветра.
По периметру основания с внутренней стороны конических воздуховодов 13 и 14 жестко прикреплен обод (на фиг. не показано) с крепежными пластинами (на фиг. не показано), для их присоединения к внешним блокам 1 ветровых турбин. Блоки 1 между собой стянуты профильными стяжками 19, на которых закреплен защитный составной экран 20 (на фиг. 5) электрогенератора 3, части которого между собой соединены резьбовыми винтами.
Статор 4 и ротор 5 соединены в единую конструкцию блока 1 ветровой турбины посредством опорных конструкций 21, крепящихся резьбовыми болтами к торцам статоров 4. В опорных конструкциях 22 смонтированы подшипниковые узлы (на фиг. не показано), в которых установлен вал 11 ротора 5.
К опорной рамной конструкции 2 и к профильным стяжкам 19 блоков 1 ветровых турбин прикреплены съемные лестничные секции 22.
Ветроэнергетическая турбинная установка работает следующим образом.
Ветроэнергетическую турбинную установку (ВЭТУ) монтируют на месте ее непосредственного использования. Установку и крепление блоков 1 ветровых турбин производят на месте, после завершения монтажа опорной рамной конструкции 2 на закладные элементы, предварительно подготовленного фундамента (не показано). Электрогенератор 3, в целях безопасности, закрывают составным защитным экраном 20. Для обеспечения возможности обслуживания оборудования ветроэнергетическую установку оснащают быстросъемными лестничными секциями 21, крепящимися к профильным стяжкам 19 статоров 4 и к опорной рамной конструкции 2.
Ветровые потоки, на уровне расположения блоков 1 ветроэнергетических турбин, проходят сквозь вогнуто-выпуклые пластины 17 статоров 4 блоков 1. За счет изогнутой формы пластин 17 ветровые потоки разгоняются и, создавая давление, воздействуют на выпукло-вогнутыми лопатки 10 роторов 5.
Конструкция роторов 5 позволяет значительно повысить площадь ометания выпукло-вогнутых лопаток 10 за счет, поэтапного воздействия на рабочие поверхности конструкции. После воздействия на лопатки 10 роторов 5 ветровые потоки воздействуют на винтовые крылья геликоидов 12, входящих в состав роторов 5, приобретая при этом прохождении дополнительное ускорения за счет изогнутой винтовой формы крыла геликоида 12. Далее ветровой поток изменяет вектор движения на 90º, сокращая при этом потери энергии. После изменения направления движения вдоль оси ВЭТУ ветровой поток повторно воздействует на роторы 5, обеспечивая вращение лопаткам 9 торцевых ветровых колес 8. Вследствие разнонаправленности вогнуто-выпуклых пластин 17 статоров 4 и рабочих поверхностей выпукло-вогнутых лопаток 10 роторов 5 блоков 1, ветровые потоки после воздействия на все рабочие поверхности установки выходят из ВЭТУ разнонаправлено, в противоположные стороны, проходя аэродинамические каналы 20 и конические воздуховоды 13 и 14 (Фиг. 1). Прохождение конических воздуховодов 13 и 14 сопровождается дополнительным ускорением воздушных потоков, в результате чего объемы воздушных масс, пропускаемых через блоки 1 ветроэнергетических турбин, возрастают. Образующиеся, вследствие винтовой формы геликоида 12, воздушные воронки, затягивают внутрь турбинной установки, помимо основных ветровых потоков, входящих в них радиально, дополнительные воздушные массы, проходящие вдоль оси установки, которые на входе сообщают дополнительный момент вращения лопаткам 9 торцевых ветровых колес 8, что также способствует дополнительному росту площадей ометания выпукло-вогнутых лопаток 10 роторов 5.
Сокращение потерь энергии входящих ветровых потоков сопровождается увеличением скоростей вращения роторов 5 и, по крайней мере, удвоением относительной скорости вращения соединенных с ними статора и ротора электрогенератора 6 переменного тока, смонтированного на постоянных магнитах.
Таким образом, использование заявленной конструкции ветроэнергетической турбинной установки позволяет увеличить коэффициент использования энергии ветра, площадь ометания рабочих поверхностей роторов, относительную скорость вращения соединенных с ними статора и ротора электрогенератора и общую выработку электрической энергии.
В настоящее время ветроэнергетическая турбинная установка находится на стадии разработки экспериментального макета.