ПОЛИВИНДРОТОРНЫЙ ЭНЕРГОКОМПЛЕКС МАТЕРИКОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
POLYWIND ROTARY POWER SYSTEM OF CONTINENTAL APPLICATION

Устройство предназначено для преобразования энергии средне-скоростных ветров в сложных атмосферно-аэродинамических условиях континентального климата с получением электроэнергии больших промышленных мощностей.
Предлагаемый энергокомплекс относится к ветрогенераторам с вертикально-осевым вращением ортогональных турбин.
Ускоренные темпы развития ветроэнергетики выявили необходимость качественной модернизации генерирующих устройств при их применении на континентальных территориях. Горизонтально-осевые установки оказались здесь, за пределами морских побережий и шельфов, низко эффективны, а подчас просто неработоспособны, что подтверждается опытом строительства в РФ башкирской ВЭС Тюпкильды, калининградской ВЭС Куликово, калмыцкой ВЭС Ергенинская возвышенность, аналогичных объектов материковой дислокации за рубежом. Что касается виндроторов, более приемлемых в условиях средне-скоростных, порывистых, часто и резко меняющих направление ветров, низких температур воздушной среды, то для них является актуальным поиск технических решений, не менее чем на порядок повышающих мощность ветрогенераторов.
Из уровня техники известны ветроэнергетические установки (ВЭУ), в состав которых входят несколько турбинно-генераторных узлов, как правило, горизонтально-осевого класса, объединенных в единый механизм общими фермами или каркасами (патенты SU №№8970, 2018028). В других устройствах ветрогенераторы размещены в ячейках сети, натянутой на вертикальные рамы (заявка на изобретение №2007104713, патент RU №2397361). Их общими недостатками является, свойственная в целом горизонтально-осевым ВЭУ, плохая ориентация на ветер, малая суммарная мощность устройств, т.к. энергетические узлы ограничены по численности и габаритам из-за недостаточной прочности и жесткости конструкций, являющихся для них опорными, что в результате не дает существенного выигрыша мощности.
Имеется ВЭУ (патент SU №1793095), в которой энергетические блоки оснащены вертикально-осевыми турбинами. Данное устройство может быть отнесено к ветростанциям, ветропаркам, выставленным на местности и непосредственно опирающимися генераторами на грунт. Таким образом данная ВЭС работает в существенно худших аэродинамических условиях, а именно, при средне годовых скоростях атмосферных фронтов 3-5 м/с согласно карты ветров, преобладающих в России, на других континентальных территориях у поверхности земли, чем виндроторы, поднятые на высоту в 40-60 метров, где происходит усиление ветра до 6-12 м/с. Низкие технико-экономические показатели не могут быть улучшены простым умножением числа маломощных виндроторов, поскольку при этом непомерно вырастит площадь, занимаемая станцией, возрастут земельные платежи и налоги, входящие составной частью в себестоимость электроэнергии, вырабатываемой от ветра.
В поливиндроторном энергоблоке (патент RU №2482328) генерирующие узлы подняты на максимальную высоту, которая технически возможна и экономически оправдана. Однако все составляющие устройство виндроторы смещены в одну сторону относительно мачты, создавая тем самым изгибающий момент, отрицательно воздействующий на подшипники поворотного механизма, усиливая их неравномерный износ и вероятность заклинивания. Суммарный вес турбинно-генераторной части приходится ограничивать меньшим числом виндроторов, что не позволяет энергоблоку развивать результирующую мощность более 160-200 кВт. Аналогичные прочностные проблемы имеют место в ветродвигателе (патент RU №2009370) и само-ориентирующемся линейном устройстве получения энергии от ветра (патент US №7883318), что в конечном счете отражается на энергетической эффективности устройств.
В качестве прототипа выбрана ветроустановка (патент SU №1645597), в которой на вертикальной опоре с поворотной головкой и с закрепленными на ней Т-образными траверсами установлены генерирующие узлы в составе горизонтально-осевых ветродвигателей и ветроколес, имеется подветренная плоскость ориентации. Разнонаправленное вращение ветроколес, выставленных в плоскости, коаксиальной атмосферному фронту, наличие плоского оперения, действующего в турбулентном шлейфе отработанного воздуха, не гарантируют надежной и устойчивой ориентации установки. В неоднородном воздушном потоке ветродвигатели на кронштейне, подвешенном на поворотной головке, подобно коромыслу, будут раскачиваться и терять оптимальное пространственное положение. Линейный порядок крепления тяжелых генерирующих узлов на консольных траверсах позволяет разместить их в незначительном числе и вырабатывать в целом лишь малые энергетические мощности. Данное устройство не имеет преимуществ перед одно-турбинными ВЭУ, усугубляет неустойчивость горизонтально-осевых систем в нестабильном континентальном климате.
Сущность изобретения состоит в том, что на вершине и симметрично несущей мачте энергокомплекса установлены под острым углом к ветру по меньшей мере две вертикальные опорные решетки, в ячейки которых вставлены вертикально-осевые турбины с ортогональными лопастями (виндроторы), максимально достигнутой на практике площади ометания и мощности. Турбины объединены в блоки на вертикальных валах, вращение с которых передается на роторы генераторов через 1-2 ступенчатые мультипликаторы. Опорные решетки в сборе с виндроторами статически отбалансированы относительно поворотного узла устройства. Самоориентация энергокомплекса на ветер может быть усилена плоскостными элементами, выступающим в подветренную сторону за контур опорных решеток.
Целью настоящего устройства является получение больших промышленных мощностей электроэнергии на основе виндроторной генерации, предпочтительной в материковых условиях, улучшение само-ориентации устройства на ветер, уменьшение износа и аварийности подшипников поворотного узла.
Поставленная цель достигается следующими техническим решениями. В качестве опорных конструкций используются по меньшей мере две вертикальных решетки, в ячейки которых вставлены ортогональные турбины виндроторов, общее число которых в одном энергокомплексе за счет большей прочности и жесткости опоры можно увеличить многократно и столь же нарастить суммарно генерируемую мощность. Вращение ортогональных турбин передается на роторы генераторов посредством 1-2 ступенчатой мультипликации с малыми (i=3-5) передаточными числами, на которую уходят минимальные затраты энергии, полученной турбинами от ветра. Увеличение частоты вращения роторов с незначительными энергопотерями в свою очередь линейно повышает суммарную мощность энергокомплекса. Континентальное применение устройства обеспечивается его высокой самоориентацией на ветер, что гарантируется взаимным пространственным положением опорных решеток, которые симметрично поворотному узлу под острым углом сходятся в наветренном направлении. Оперативность реагирования устройства на флуктуации в окружающей воздушной среде может быть усилена плоскими ориентирующими элементами, вставленными в определенные ячейки одного из горизонтальных ярусов опорной решетки. За счет равного числа одинаковых опорных решеток и встроенных в них однотипных виндроторов на противоположно направленных траверсах обеспечивается баланс статических сил, действующих на поворотный узел.
На фиг.1 показан вид сверху на поливиндроторный энергокомплекс материкового назначения; на фиг.2 - вид «А» на фиг.1.
Энергокомплекс содержит несущую мачту 1 с поворотным узлом 2, от которого отходят радиальные траверсы 3 равной длины, заканчивающиеся идентичными опорными решетками 4 со встроенными в их ячейки одинаковыми ортогональными турбинами 5. Турбины объединены в блоки на вертикальных валах 6, вращение от которых через мультипликаторы 7 передается на роторы генераторов 8. Ориентации устройства на ветер способствуют корректирующие плоскости 9.
Устройство работает следующим образом. Под напором ветра опорные решетки на участке максимального углового сближение разворачиваются навстречу ветру, одновременно начинается вращение ортогональных турбин 5 на валах 6. Вращение коммутируется через транзитные узлы - мультипликаторы 7, на роторы генераторов 8, которые совместно вырабатывают электрическую энергию промышленной мощности.
Большая мощность достигается применением решеток 4 в качестве усиленных опорных конструкций, что дает возможность включить в состав энергокомплекса значительное число виндроторов, общая площадь ометания которых возрастает на порядок и более. Этому же служит объединение виндроторных ортогональных турбин 5 в блоки на вертикальных валах 6, что создает крутящие моменты, достаточные для преобразования их вращения во вращение генераторных роторов через 1-2 ступенчатые мультипликаторы 7 с малыми передаточными числами (i=3-5). Роторы разгоняются до больших скоростей, мощность генерируемой электроэнергии возрастает по меньшей мере в три раза. При этом затраты энергии на мультипликацию существенно ниже, чем в горизонтально-осевых ВЭУ, оснащенных планетарными редукторами, потери мощности в которых достигают 50-60%.
Для само-ориентации данной установки на ветер используются технические приемы, задействованные в прототипе и известных устройствах, а именно, встречное вращение турбин 5 по разные стороны от несущей мачты; характер указанного встречного вращения, когда вектора скорости ортогональных лопастей совпадают с ветром в их позициях перпендикулярного положения к воздушному фронту, что сочетается с удаленностью, близкой к предельной, от поворотного узла. Упомянутое является недостаточным и усилено в предлагаемом энергокомплексе тем, что опорные решетки 4 симметрично мачте 1 сходятся навстречу ветру в вертикальных плоскостях и под острым углом. В особо нестабильной воздушной среде (например, зимний период в степных местностях России, Казахстана и т.д.) могут быть дополнительно применимы специальные ориентирующие плоскости (оперения) 9.
Ресурс безаварийной работоспособности подшипников поворотного узла 2 увеличен, т.к. опорные решетки 4 статически отбалансированы относительно оси вращения за счет их равных массогабаритных показателей в сборе с ортогональными турбинами 5 и другими элементами конструкции (7, 8, 9). Данное качество энергокомплекса особенно важно для таких высотных сооружений, когда ремонтные работы имею особую сложность и стоимость, сопряжены со значительными рисками.
В нижеприведенной таблице в порядке практического примера даны технические характеристики поливиндроторного энергокомплекса материкового назначения и их сравнение с показателями типичной промышленной установки «офшорной» ветроэнергетики.
№№ пп.
Параметры
Энергокомплекс из 20 виндроторов мощностью 20 кВт каждый
Типовая пропеллерно-лопастная ВЭУ модели «Micon 1500»
1
Генерируемая мощность, кВт
600-800
500-600
2
Скорость ветра, м/с
начальная
0,5
4,0
номинальная
8,0
15,0
3
Ограничения использования
нет
только на морских побережьях и шельфах
4
КПД при континентальной эксплуатации, %
30-35
10-15
5
Габариты турбинных узлов, м
(45 х 25) х 25
43 (диаметр)
6
Вес, тонн
турбин(ы)
3,6
5,7
генератора (ов)
6,0
9,0
Всего:
9,6
14,7
7
Скорость вращения турбин(ы), об/м
150
41,5
8
Тип мультипликатора
1-2 ступенчатый
планетарный
9
Высота мачты, м
от 65
45
10
Необходимость принудительной ориентации на ветер с применением дополнительного механизма
нет
да
11
Возможность защиты турбин(ы) от обледенения и птиц
да
нет
12
Экономические показатели:
ожидаемые
фактические
- удорожание стоимости электроэнергии по сравнению с сетевыми источниками;
на 20-30%
в 3-4 раза
средний объем инвестиций в строительство, EUR/кВт;
1000-1100
1500-1600
- окупаемость капиталовложений, лет
4-5
10-12