Высотная ветроэнергетическая установка (варианты)
HIGH-ALTITUDE WIND POWER PLANT (VERSIONS)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в энергоустановках, преобразующих энергию ветрового потока в электрическую энергию, преимущественно к ветровым энергоагрегатам, использующим энергию высотных струйных воздушных течений.
Известна высотная аэростатодинамическая энергоустановка, содержащая летательный аппарат с аэростатической составляющей подъемной силы, ветродвигатели, рабочую машину, устройство передачи энергии на землю, узлы крепления на летательном аппарате и на земле, регулирующие органы, при этом летательный аппарат (воздушный змей) с аэростатической составляющей подъемной силы выполнен в виде профилированной платформы, состоящей из двух несущих и имеющих кривизну по размаху аэродинамических элементов, соединенных в горизонтальной плоскости летательного аппарата в кольцо, на котором расположены ветродвигатели и рабочие машины, вырабатывающие энергию (см. патент RU №2064085, кл. F03D 11/00, опубл. 20.07-1996).
Однако необходимость использования аэростатодинамической конструкции, двигательной установкой для взлета и посадки и напорного рукава для подачи сжатого воздуха по напорному рукаву на вход энергетической машины, которая расположена на земле, не позволяет добиться требуемой надежности системы в случае обрыва крепления к земле.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является высотная ветроэнергетическая установка, содержащая ортогональную турбину с лопастями и электрогенератором, соединенными с земной опорой посредством тросов и электрического кабеля (см. патент RU №2240444, кл. F03D 9/00, опубл. 20.11.2004).
Однако использование этого решения затруднено тем, что подъем энергетического комплекса с земли в рабочую зону на рабочую высоту в несколько километров осуществляется за счет действия пристенных струй на рабочих лопастях турбин (эффект Коанда), создание которых требует дополнительного оборудования и дополнительного расхода энергии. Применяемые турбины даже при наличии струйных систем имеют невысокую энергетическую эффективность (предел Бетца-Жуковского), связанную с резким уменьшением скорости набегающего потока внутри турбины и значительными потерями энергии на тех участках трассы лопастей, где лопасти движутся вдоль или навстречу потоку.
Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является преодоление выявленных в известных технических решениях недостатков.
Технический результат заключается в том, что достигается возможность повышении мощности, эффективности и надежности системы преобразования энергии воздушных высотных течений в электрическую энергию переменного тока.
Указанная техническая проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что высотная ветроэнергетическая установка содержит ортогональную турбину с лопастями и электрогенератором, соединенными с земной опорой посредством тросов и электрического кабеля, причем турбина снабжена полым кольцеобразным силовым корпусом, электрогенератор выполнен с кольцеобразным опорным ротором, на котором установлены поворотные кронштейны с закрепленными на последних лопастями ортогональной турбины, кольцеобразный опорный ротор электрогенератора установлен с возможностью вращения относительно кольцеобразного силового полого корпуса, в котором установлены опоры, воспринимающие горизонтальные нагрузки и вертикальные нагрузки от кольцеобразного опорного ротора на полый кольцеобразный силовой корпус, на кольцеобразном опорном роторе электрогенератора установлен короткозамкнутый ротор электрогенератора, а в полом кольцеобразном силовом корпусе установлены элементы статора электрогенератора, включающие сердечник, выполненный в единой конструкции с несущей фермой, и обмотки электрогенератора, причем элементы статора электрогенератора выполнены в виде отдельных секций, между которыми расположены опоры кольцеобразного опорного ротора, воспринимающие горизонтальные нагрузки, в качестве опор, воспринимающих горизонтальную и вертикальную нагрузку, использована магнитная подвеска, электрогенератор выполнен в виде обратимой электрической машины с возможностью работы в режиме двигателя или в режиме электрогенератора, а лопасти ортогональной турбины посредством поворотных кронштейнов установлены с возможностью их поворота из вертикального положения в горизонтальное и фиксации их в любом из промежуточных положений.
В соответствии со вторым вариантом выполнения высотная ветроэнергетическая установка содержит ортогональную турбину с лопастями и электрогенератором, соединенными с земной опорой посредством тросов и электрического кабеля, причем турбина снабжена полым кольцеобразным силовым корпусом, электрогенератор выполнен с двумя верхним и нижним кольцеобразными опорными роторами, на каждом из которых установлены поворотные кронштейны с закрепленными на последних лопастями ортогональной турбины, образующими внешний и внутренний контур их вращения, причем верхний и нижний кольцеобразные опорные роторы электрогенератора установлены с возможностью вращения в противоположные стороны относительно полого кольцеобразного силового корпуса, в котором установлены опоры, воспринимающие горизонтальные нагрузки и вертикальные нагрузки от каждого из кольцеобразных опорных роторов на полый кольцеобразный силовой корпус, на каждом из кольцеобразных опорных роторов электрогенератора установлен короткозамкнутый ротор электрогенератора, а в полом кольцеобразном силовом корпусе установлены элементы статора электрогенератора, включающие сердечник, выполненный в единой конструкции с несущей фермой, и обмотки электрогенератора, причем элементы статора электрогенератора выполнены в виде отдельных секций, между которыми расположены опоры кольцеобразных опорных роторов, воспринимающие горизонтальные нагрузки, в качестве опор, воспринимающих горизонтальную и вертикальную нагрузку, использована магнитная подвеска, электрогенератор выполнен в виде обратимой электрической машины с возможностью работы в режиме двигателя или в режиме электрогенератора, а лопасти ортогональной турбины посредством поворотных кронштейнов установлены с возможностью их поворота из вертикального положения в горизонтальное и фиксации их в любом из промежуточных положений.
В соответствии с третьим вариантом выполнения высотная ветроэнергетическая установка содержит ортогональную турбину с лопастями и электрогенератором, соединенными с земной опорой посредством тросов и электрического кабеля, причем турбина снабжена полым кольцеобразным силовым корпусом, электрогенератор выполнен с кольцеобразным опорным ротором, образованным подвижно соединенными с возможностью поворота относительно друг друга звеньями, на которых установлены поворотные кронштейны с закрепленными на последних лопастями ортогональной турбины, кольцеобразный опорный ротор электрогенератора установлен с возможностью вращения относительно полого кольцеобразного силового корпуса по замкнутому контуру, образованному дугами окружности, при этом, по крайней мере, две противоположно расположенные дуги окружности имеют длину, превышающую длину соединяющих их между собой дуг окружности, в силовом полом корпусе установлены опоры, воспринимающие горизонтальные нагрузки и вертикальные нагрузки от кольцеобразного опорного ротора на кольцеобразный силовой полый корпус, на звеньях опорного кольцеобразного ротора электрогенератора установлены электрически соединенные между собой звенья короткозамкнутого ротора электрогенератора, а в полом кольцеобразном силовом корпусе установлены элементы статора электрогенератора, включающие сердечник, выполненный в единой конструкции с несущей фермой, и обмотки электрогенератора, элементы статора электрогенератора выполнены в виде отдельных секций, причем последние на участках максимальной кривизны контура движения лопастей выполнены с уменьшенным полюсным делением и объединены в отдельную сеть, между секциями статора электрогенератора расположены опоры кольцеобразного опорного ротора, воспринимающие горизонтальные нагрузки, в качестве опор, воспринимающих горизонтальную и вертикальную нагрузку, использована магнитная подвеска, электрогенератор выполнен в виде обратимой электрической машины с возможностью работы в режиме двигателя или в режиме электрогенератора, а лопасти ортогональной турбины посредством поворотных кронштейнов установлены с возможностью их поворота из вертикального положения в горизонтальное и фиксации их в любом из промежуточных положений.
В соответствии с четвертым вариантом выполнения высотная ветроэнергетическая установка содержит ортогональную турбину с лопастями и электрогенератором, соединенными с земной опорой посредством тросов и электрического кабеля, причем турбина снабжена полым кольцеобразным силовым корпусом, электрогенератор выполнен с двумя верхним и нижним кольцеобразными опорными роторами, образованными подвижно соединенными с возможностью поворота относительно друг друга звеньями, на которых установлены поворотные кронштейны с закрепленными на последних лопастями ортогональной турбины, образующими внешний и внутренний контур их вращения, кольцеобразные опорные роторы электрогенератора установлены с возможностью вращения в противоположные стороны относительно полого кольцеобразного силового корпуса по замкнутому контуру, образованному дугами окружности, при этом, по крайней мере, две противоположно расположенные дуги окружности имеют длину, превышающую длину соединяющих их между собой дуг окружности, в силовом полом корпусе установлены опоры, воспринимающие горизонтальные нагрузки и вертикальные нагрузки от кольцеобразных опорных роторов на кольцеобразный силовой полый корпус, на звеньях каждого из кольцеобразных опорных ротора электрогенератора установлены электрически соединенные между собой звенья короткозамкнутых роторов электрогенератора, а в полом кольцеобразном силовом корпусе установлены элементы статора электрогенератора, включающие сердечник, выполненный в единой конструкции с несущей фермой, и обмотки электрогенератора, элементы статора электрогенератора выполнены в виде отдельных секций, причем последние на участках максимальной кривизны контура движения лопастей выполнены с уменьшенным полюсным делением и объединены в отдельную сеть, между секциями статора электрогенератора расположены опоры кольцеобразных опорных роторов, воспринимающие горизонтальные нагрузки, в качестве опор, воспринимающих горизонтальную и вертикальную нагрузку, использована магнитная подвеска, электрогенератор выполнен в виде обратимой электрической машины с возможностью работы в режиме двигателя или в режиме электрогенератора, а лопасти ортогональной турбины посредством поворотных кронштейнов установлены с возможностью их поворота из вертикального положения в горизонтальное и фиксации их в любом из промежуточных положений.
В ходе проведенного исследования выявлена возможность повысить мощность и надежность работы энергетической установки и таким образом увеличить эффективность преобразования энергии воздушных высотных потоков воздуха в электрическую энергию за счет упрощения конструкции, которая достигается совмещением функций ортогональной турбины, которая используется как для подъема энергетической установки на требуемую высоту, так и для выработки электрической энергии и выполнения электрогенератора в виде обратимой электрической машины, что позволяет использовать его в качестве двигателя для привода во вращение лопастей ортогональной турбины для подъема энергетической установки на требуемую высоту и использовать его в качестве электрогенератора для выработки электрической энергии при достижении заданной высоты. При этом электрический кабель, по которому передают электрическую энергию на землю потребителям, одновременно позволяет его использовать в качестве силового элемента, который удерживает энергетическую установку, которая парит над землей под действием воздушного потока также, как парит над землей воздушный змей, в данном случае воздушный змей роторного типа.
На фиг. 1 представлена фотография макета высотной ветроэнергетической установки с двумя кольцеобразными опорными роторами.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез кольцеобразного силового корпуса высотной ветроэнергетической установки с одним кольцеобразным опорным ротором в месте установки лопасти ортогональной турбины.
На фиг. 3 представлен поперечный разрез кольцеобразного силового корпуса высотной ветроэнергетической установки с одним кольцеобразным опорным ротором в месте между лопастями ортогональной турбины.
На фиг. 4 представлен поперечный разрез кольцеобразного силового корпуса высотной ветроэнергетической установки с двумя кольцеобразными опорными роторами в месте установки лопасти ортогональной турбины.
На фиг. 5 представлен поперечный разрез кольцеобразного силового корпуса высотной ветроэнергетической установки с двумя кольцеобразными опорными роторами в месте между лопастями ортогональной турбины. Пунктиром показано горизонтальное положение лопастей.
На фиг. 6 представлена фотография фрагмента электрогенератора между двумя кольцеобразными опорными роторами.
На фиг. 7 показан контур движения лопастей ортогональной турбины. Стрелкой показано направление ветра.
В соответствии с первым вариантом выполнения высотная ветроэнергетическая установка содержит ортогональную турбину 1 с лопастями 2 и электрогенератором 3, соединенными с земной опорой 4 посредством тросов и электрического кабеля (не показаны на чертеже).
Турбина 1 снабжена полым кольцеобразным силовым корпусом 5. Электрогенератор 3 выполнен с кольцеобразным опорным ротором 6, на котором установлены поворотные кронштейны 7 с закрепленными на последних лопастями 2 ортогональной турбины 1.
Кольцеобразный опорный ротор 6 электрогенератора 3 установлен с возможностью вращения относительно кольцеобразного силового полого корпуса 5, в котором установлены опоры 8 и 9, воспринимающие, соответственно, горизонтальные нагрузки и вертикальные нагрузки от кольцеобразного опорного ротора 6 на полый кольцеобразный силовой корпус 5.
На кольцеобразном опорном роторе 6 электрогенератора 3 установлен короткозамкнутый ротор 10 электрогенератора 3, а в полом кольцеобразном силовом корпусе 5 установлены элементы статора электрогенератора 3, включающие сердечник 11, выполненный в единой конструкции с несущей фермой 12 и обмотки 13 электрогенератора 3. Элементы статора электрогенератора 3 выполнены в виде отдельных секций, между которыми расположены опоры 7 кольцеобразного опорного ротора 6, воспринимающие горизонтальные нагрузки, причем в качестве опор 8 и 9, воспринимающих горизонтальную и вертикальную нагрузку, использована магнитная подвеска.
Электрогенератор 3 выполнен в виде обратимой электрической машины с возможностью работы в режиме двигателя или в режиме электрогенератора, а лопасти 2 ортогональной турбины 1 посредством поворотных кронштейнов 7 установлены с возможностью их поворота из вертикального положения в горизонтальное и из последнего обратно в вертикальное положение с фиксацией их в любом из промежуточных положений.
Высотная ветроэнергетическая установка в соответствии со вторым вариантом выполнения отличается от первого варианта ее выполнения тем, что электрогенератор 3 выполнен с двумя верхним 14 и нижним 15 кольцеобразными опорными роторами, на каждом из которых установлены поворотные кронштейны 7 с закрепленными на последних лопастями 2 ортогональной турбины 1, образующими внешний и внутренний контур их вращения.
Верхний 14 и нижний 15 кольцеобразные опорные роторы электрогенератора 3 установлены с возможностью вращения в противоположные стороны относительно полого кольцеобразного силового корпуса 5, в котором установлены опоры 8 и 9, воспринимающие соответственно горизонтальные нагрузки и вертикальные нагрузки от каждого из кольцеобразных опорных роторов 14 и 15 на полый кольцеобразный силовой корпус 5.
На каждом из кольцеобразных опорных роторов 14 и 15 электрогенератора 3 установлен свой короткозамкнутый ротор 10 электрогенератора 3.
В соответствии с третьим вариантом выполнения высотная ветроэнергетическая установка содержит ортогональную турбину 1 с лопастями 2 и электрогенератором 3, соединенными с земной опорой 4 посредством тросов и электрического кабеля (не показаны на чертежах).
Турбина 3 снабжена полым кольцеобразным силовым корпусом 5. Электрогенератор 3 выполнен с кольцеобразным опорным ротором 6, образованным подвижно соединенными с возможностью поворота относительно друг друга звеньями, на которых установлены поворотные кронштейны 7 с закрепленными на последних лопастями 2 ортогональной турбины 1. Кольцеобразный опорный ротор 6 электрогенератора 3 установлен с возможностью вращения относительно полого кольцеобразного силового корпуса 5 по замкнутому контуру, образованному дугами 16 и 17 окружности, при этом, по крайней мере, две противоположно расположенные дуги 16 окружности имеют длину, превышающую длину соединяющих их между собой дуг 17 окружности, причем дуги 16 плавно сопряжены с дугами 17.
В силовом полом корпусе 5 установлены опоры 8 и 9, воспринимающие, соответственно горизонтальные нагрузки и вертикальные нагрузки от кольцеобразного опорного ротора 6 на кольцеобразный силовой полый корпус 5.
На звеньях опорного кольцеобразного ротора 6 электрогенератора 3 установлены электрически соединенные между собой звенья короткозамкнутого ротора 10 электрогенератора 3, а в полом кольцеобразном силовом корпусе 5 установлены элементы статора электрогенератора 3, включающие сердечник 11, выполненный в единой конструкции с несущей фермой 12 и обмотки 13 электрогенератора 3.
Элементы статора электрогенератора 3 выполнены в виде отдельных секций, причем последние на участках максимальной кривизны контура движения лопастей 2 выполнены с уменьшенным полюсным делением и объединены в отдельную сеть.
Между секциями статора электрогенератора 3 расположены опоры 8 кольцеобразного опорного ротора 6, воспринимающие горизонтальные нагрузки. В качестве опор 8 и 9, воспринимающих горизонтальную и вертикальную нагрузку, использована магнитная подвеска.
Электрогенератор 3 выполнен в виде обратимой электрической машины с возможностью работы в режиме двигателя или в режиме электрогенератора, а лопасти 2 ортогональной турбины 1 посредством поворотных кронштейнов 7 установлены с возможностью их поворота из вертикального положения в горизонтальное и из последнего обратно в вертикальное положение с фиксацией их в любом из промежуточных положений.
Высотная ветроэнергетическая установка в соответствии с четвертым вариантом выполнения отличается от третьего варианта ее выполнения тем, что электрогенератор 3 выполнен с двумя верхним 14 и нижним 15 кольцеобразными опорными роторами, образованными подвижно соединенными с возможностью поворота относительно друг друга звеньями, на которых установлены поворотные кронштейны 7 с закрепленными на последних лопастями 2 ортогональной турбины 1, образующими внешний и внутренний контур их вращения.
Верхний 14 и нижний 15 кольцеобразные опорные роторы электрогенератора 3 установлены с возможностью вращения в противоположные стороны относительно полого кольцеобразного силового корпуса 5, в котором установлены опоры 8 и 9, воспринимающие, соответственно, горизонтальные нагрузки и вертикальные нагрузки от каждого из кольцеобразных опорных роторов 14 и 15 на полый кольцеобразный силовой корпус 5.
На звеньях каждого из кольцеобразных опорных роторов 14 и 15 электрогенератора 3 установлены электрически соединенные между собой звенья короткозамкнутых роторов 10 электрогенератора 3 с возможностью вращения относительно полого кольцеобразного силового корпуса 5 по замкнутому контуру, образованному дугами 16 и 17 окружности, при этом, по крайней мере, две противоположно расположенные дуги 16 окружности имеют длину, превышающую длину соединяющих их между собой дуг 17 окружности, причем дуги 16 плавно сопряжены с дугами 17.
Выполнение высотной ветроэнергетической установки со сплошным одним кольцеобразным опорным ротором 6 или двумя верхним 14 и нижним 15 кольцеобразными опорными роторами электрогенератора 3 обеспечивает вращение лопастей 2 по окружности, что по сравнению с вращением лопастей 2 вдоль контура, образованного дугами окружности несколько снижает эффективность преобразования ветровой энергии в электрическую, но позволяет упростить конструкцию, что более предпочтительно при выполнении установок малой мощности.
Выполнение высотной ветроэнергетической установки с двумя кольцеобразными опорными роторами 14 и 15 и их выполнение составным из соединенных между собой звеньев позволяет повысить эффективность использования ветрового потока для выработки электроэнергии, что предпочтительно для создания установок большой мощности.
Работа высотной ветроэнергетической установки осуществляется следующим образом.
Для подъема высотной ветроэнергетической установки на требуемую высоту в зону сильных воздушных потоков лопасти 2 ортогональной турбины 1 с помощью поворотных кронштейнов 3 по команде с пульта управления переводятся в положение, близкое к горизонтальному. Электрогенератор 3 запускается в работу в режиме электродвигателя. Вращающиеся лопасти 2 ортогональной турбины 1 создают подъемную силу, обеспечивающую плавный подъем высотной ветроэнергетической установки.
При достижении заданной высоты и расположении высотной ветроэнергетической установки в воздушном потоке лопасти 2 ортогональной турбины 1 посредством поворотных кронштейнов 7 переводятся в вертикальное положение, а высотную ветроэнергетическую установку поворотом лопастей 2 устанавливают слегка наклоненной к набегающему на нее воздушному потоку. Электрогенератор 3 переводят в режим работы по выработке электроэнергии, которая по электрокабелю передается на землю потребителю. При этом высотная ветроэнергетическая установка за счет вращения лопастей под действием на них набегающего потока воздуха как воздушный роторный змей находится в равновесии на заданной высоте и удерживается на этой высоте за счет натяжения удеживающего установку одного или нескольких тросов, вдоль которых пропущены один или несколько электрокабелей для передачи выработанной электрической энергии на землю, а также кабели контрольно-управлющей системы.
По мере необходимости вертикальная компонента силы, удерживающей высотную ветроэнергетическую установку в воздушном струйном течении регулируется наклоном лопастей 2 и общим положением высотной ветроэнергетической установки, контролируемым натяжением тросов, связывающих ее с землей.
Управление работой может осуществляется автоматической и/или ручной системой управления для обеспечения режима подъема и спуска с горизонтальным расположением лопастей 2, управления работой электрогенератора 3 с переводом его в режим выработки электроэнергии или режим работы в качестве электродвигателя, а также управления положением высотной ветроэнергетической установки в воздушном потоке в ее основном рабочем режиме с лопастями 2, расположенными почти вертикально.
При необходимости изменения высоты расположения высотной ветроэнергетической установки для поиска нового воздушного потока или для спуска на землю лопасти 2 переводят в горизонтальное положение, а электрогенератор 3 в режим работы электродвигателя и таким образом, а также путем изменения длины удерживающих тросов меняют положение высотной ветроэнергетической установки в воздухе.
Возможны описанные выше четыре варианта выполнения высотной ветроэнергетической установки, содержащей один или два кольцеобразных опорных ротора 6.
При работе с одним кольцеобразным опорным ротором 6 предотвращение вращения кольцеобразного силового корпуса 5 обеспечивается натяжением тросов, удерживающих высотную энергетическую установку. При работе с двумя кольцеобразными опорными роторами 6 их вращение в противоположном (встречном) направлении вращения обеспечивает компенсацию крутящих моментов, действующих на кольцеобразный силовой корпус 5, что предотвращает его вращение во время работы высотной энергетической установки.
Таким образом, описанные выше варианты выполнения высотных ветроэнергетических установок позволяют создавать ветровые энергоустановки различной мощности для выработки экологически чистой электрической энергии с возможностью их использования в любых, в том числе и труднодоступных местностях.