ВЕТРОРЕАКТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Область применения.
Полезная модель относится к устройствам преобразования энергии ветра и предназначена для создания ветроэлектростанций с двумя преобразователями энергии: ветрового потока - ветроколесом, и реактивной ветротурбины для преобразования потенциальной энергии уплотненного потока воздуха, за счет энергии инерции воздушной массы под действием центробежной силы, в кинетическую энергию выпускаемого воздуха из насадок - сопел Лаваля, тангенциально размещенных на пустотелых лопастях реактивной ветротурбины.
Уровень техники.
Известен из теории и практики способ преобразования энергии потока ветра содержащий соосно два ветроколеса, вращающиеся в противоположных направлениях и механически связанных с генератором электрической энергии. Вал генератора механически связан с лопастями вращения одного направления, а корпус генератора механически связан с лопастями противоположного направления вращения по сравнению с лопастями, механически связанными с валом генератора, при этом корпус генератора установлен в ветровом преобразователе с возможностью вращения. (ВЕТРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ патент PORU2280192 кл. МПК МПК F03D 9/00, опубликован 20.03.2003),
Недостатком такого ветрового преобразователя является низкая надежность обусловленная сложностью, как съема, так и подачи электрической энергии на вращающиеся части генератора (статора и ротора). Соосное вращение ветроколес, вращающихся в противоположных направлениях, создает турбулентность воздушного потока между ними, что приводит к снижению КПД устройства или требует разнесение ветроколес на расстояние, при котором эффект турбулентности исчезает.
Известна также ветроэлектрическая установка, содержащая зубчатую дифференциальную передачу, одно из звеньев которой механически соединено с валом ветродвигателя, второе звено - с валом генератора переменного тока, а третье звено - с регулирующей машиной постоянного тока, якорь которой электрически связан с якорем второй машины постоянного тока, механически соединенным с валом генератора переменного тока, при этом вторая машина постоянного тока имеет дополнительную обмотку возбуждения, присоединенную к усилительному устройству, вход которого подключен к выходу регулятора, один из входов которого подключен к выходу формирователя скорости, а другой - к выходу сумматора, при этом вход формирователя скорости соединен с выходом датчика частоты вращения вала ветродвигателя, а ко второму входу сумматора подключен задатчик активной мощности. (ВЕТРОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА, патент РФ RU 2210854, С2, Н02Р 9/06, Н02Р 9/42, F03D 9/02, опубликовано 2003.08.20)
Недостатком такой ветроэлектрической установки является сложная кинематическая схема, сложная электромеханическая система управления работой ветроэлектрической установкой, сложная технология ее эксплуатации и соответственно низкая в целом надежностью.
Известно устройства ветроэнергетическая установка, содержащая зубчатую дифференциальную передачу, ветродвигатель, датчик частоты вращения вала ветродвигателя, машину постоянного тока, инвертор напряжения, аккумуляторную батарею, регулятор возбуждения, блок отключения возбуждения и электрическую нагрузку.
Электрическая нагрузка подключается к инвертору напряжения, который соединен с машиной постоянного тока, приводимой в движение ветродвигателем. Накопителем энергии является аккумуляторная батарея. При наличии ветра машина постоянного тока вырабатывает энергию, которая поступает к электрической нагрузке через инвертор напряжения. Одновременно подзаряжается аккумуляторная батарея. Когда ветер слабый или отсутствует, блок отключения возбуждения препятствует разряду аккумуляторной батареи на обмотку возбуждения машины постоянного тока. (ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСККАЯ УСТАНОВКА, патент Российской Федерации RU 2287718, МПК F03D 9/02, опубликовано: 20.11.2006).
Предложенная ветроэнергетическая установка обладает рядом недостатков, определяемых сложной кинематической схемой в виде зубчатой дифференциальной, передачи, необходимостью регулирования возбуждением машины постоянного тока и отключения электрической нагрузки при снижении скоростного напора ветра, что снижает КПД.
Известен способ повышения мощности ветроэлектростанции, где производится инерционное воздействие на поток воздуха путем его сжатия за счет центробежной силы в пустотелых лопастях, и истечение его из тангенциально размещенных на них сопел. При вращении ветроколеса набегающий поток воздуха подают, внутрь пустотелых лопастей через центральный диффузор. (Авторское свидетельство СССР №55996, F03D 1/00 с приоритетом 16 сентября 1937 г.),
Недостатком такой ветроэлектростанции является невозможность ее запуск под нагрузкой.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является ветроэлектростанция со способом повышения мощности и запуска ветроэлектростанции путем всасывания набегающего потока воздуха внутрь пустотелых лопастей пропеллера через центральный диффузор, сжатия воздуха за счет центробежной силы и выпуска наружу через сопла. Воздух засасывается через предохранительную сетку и управляемый электромагнитный клапан, встроенный в конструкцию диффузора, который при штатной работе ветроэлектростанции открывают, обеспечивая проход воздуха к реактивным соплам. Причем часть сжатого воздуха нагнетают через встроенные в лопасти трубки и через управляющий клапан в емкость сжатого газа, после наполнения, которой управляющий клапан закрывают, запуск станции осуществляют путем закрытия диффузорного клапана, а сжатый воздух для запуска направляют в те же тангенциально расположенные реактивные сопла, при этом управляющий клапан открывают. (СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА И ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ВЕТРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ, патент RU 2179655, опубликовано 20.02.2002).
В статье «К вопросу о режиме самофункционирования преобразователя даровой инерционной энергии окружающей среды», автор С.К.Баранов, УДК 621.43.018., Альтернативная Энергетика и Экология (АЭЭ) №3(35) 2006 г., стр.21-27, формула [3], - показано, что максимальное значение коэффициента сжатия воздушной среды, при таком способе сжатия, в силу термодинамических характеристик воздуха, не превышает величины равной - 2,3 раза.
Таким образом, недостатком данного способа и устройства является ограничение коэффициента сжатия воздуха, поступающего в емкости для сжатия, поскольку используется часть воздуха сжимаемого инерционным способом в пустотелых лопастях ветроколеса, и, как следствие, ограничение крутящего (запускающего) момента, как по величине, так и по времени действия. Ближайшим прототипом заявляемого устройства следует считать патент России RU №2179655.
Целью полезной является изобретение устройства преобразования энергии ветра с применением двух преобразователей энергии ветрового потока - ветроколеса, и реактивной ветротурбины, преобразующей потенциальную энергию уплотненного потока воздуха за счет энергии инерции воздушной среды под действием центробежной силы в кинетическую энергию истечения воздуха из насадок - сопел. Лаваля.
Применение центробежного компрессора для принудительной подачи воздуха в пустотелые лопасти реактивной ветротурбины и объединение массы этого потока с массой набегающего потока воздуха в тангенциально размещенные насадки - сопла Лаваля на концах пустотелых лопастей реактивной ветротурбины.
Реализация принципа регулирования скорости вращения реактивной ветротурбины, при нестабильном ветровом потоке, поступающим на ветровое колесо, посредством контроля скорости оборотов реактивной ветротурбины, и, изменяя массу потока воздуха, нагнетаемого центробежным компрессором в ее пустотелые лопасти, для обеспечения повышения мощности и КПД устройства.
Технический результат заключается в повышение мощности устройства, которая достигается за счет объединения массы, набегающего потока воздуха в насадках - соплах Лаваля, тангенциально размещенных на пустотелых лопастях реактивной ветротурбины с потоком уплотненного воздуха, принудительно нагнетаемого центробежным насосом, в пустотелые лопасти реактивной ветротурбины.
Накопленная, на блоке аккумуляторных батарей электрическая энергия ветро-реактивного преобразователя, используется для работы электродвигателя центробежного компрессора с целью принудительного нагнетания воздуха в пустотелые лопасти реактивной ветротурбины.
При этом обеспечивается возможность регулирования реактивного потока объединенной массы воздуха, при его истечения из насадок - сопел Лаваля, с целью обеспечения стабильности крутящего момента на валу реактивной ветротурбины, и нестабильном ветровом потоке на ветровом колесе, и как следствие- увеличение мощности и КПД устройства.
Реализация полезной модели.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что ветро-реактивный преобразователь содержит ветроколесо, на валу которого последовательно размещен генератор,
отличающийся тем,
что на валу ветроколеса расположена обгонная муфта, редуктор, выход которого соединен с насадком реактивной ветротурбины, второй вход редуктора соединен с валом электродвигателя центробежного компрессора, на пустотелых лопастях реактивной ветротурбины тангенциально размещены насадки - сопла Лаваля. Вал реактивной ветротурбины соединен с генератором, оснащенным тахометром, выход тахометра соединен с блоком управления и коммутации, содержащим кнопку запуска электродвигателя центробежного компрессора, кнопку подключения цепи потребителей электроэнергии, кнопку подключения входной цепи автотрансформатора, цепь входа автотрансформатора подключена к блоку управления и коммутации, выход автотрансформатора последовательно соединен с входом выпрямителя, выход которого присоединен к входу стабилизатора напряжения, выход которого подключен к одному из входов блока аккумуляторных батарей, к другому входу блока аккумуляторных батарей подключен генератор ветроколеса, к выходу блока аккумуляторных батарей подключен инвертор, выход которого соединен через контроллер с блоком управления и коммутации, к блоку управления и коммутации подключены цепь генератора электродвигателя центробежного компрессора, и цепь выхода устройства для подключения нагрузки.
Краткое описание чертежей.
На Фиг.1 и Фиг.2 показана конструктивная схема ветро-реактивного преобразователя, где 1 - Ветроколесо, 2 - Генератор ветроколеса, 3 - Обгонная муфта, 4 - Вал ветроколеса, 5 - Редуктор, 6 - Шестерня вала ветроколеса, 7 - Шестерня паразитная, 8 - Шестерня вала электродвигателя, 9 - Шестерня вала центробежного компрессора, 10 - Шестерня вала реактивной ветротурбины, 11 - Вал реактивной ветротурбины, 12 - Вал центробежного компрессора, 13 - Насадок реактивной ветротурбины, 14 - Центробежный компрессор, 15 - Реактивная ветротурбина, 16 - Насадок - сопло Лаваля, 17, - Аэродинамический кожух, 18 - Вал генератора реактивной ветротурбины, 19 - Генератор реактивной ветротурбины, 20 - Тахометр, 21 - Блок коммутации и управления, 22 - Цепь тахометра, 23 - Цепь генератора реактивной ветротурбины, 24 - Цепь электродвигателя центробежного компрессора, 25 - Цепь контроллера, 26 - Цепь входа трансформатора, 27 - Кнопка запуска электродвигателя центробежного компрессора, 28 - Кнопка подключения потребителей электроэнергии, 29 - Кнопка подключения входной цепи трансформатора, 30 - Электродвигатель центробежного компрессора, 31 - Цепь генератора ветроколеса, 32 - Цепь стабилизатора напряжения выходная, 33 - Блок аккумуляторных батарей, 34 - Стабилизатор напряжения, 35 - Инвертор, 36 - Выпрямитель, 37 - Контроллер, 38 - Автотрансформатор, 39 - Выход для цепи нагрузки, 40 - Канал нагнетания воздуха, 41 - Поток воздуха в центробежный компрессор, 42 - Поток воздуха в насадок - сопло Лаваля, 43 - Поток воздуха из насадка - сопло Лаваля.
Осуществление полезной модели.
Ветро-реактивный преобразователь может быть реализован следующим образом. Посредством объединения и преобразования кинетической энергии вращения ветроколеса с генератором и реактивной ветротурбиной с генератором через редуктор, а электрический ток, вырабатываемый генераторами, поступает на общий накопитель электрической энергии - блок аккумуляторных батарей и далее через инвертор и контроллер на блок коммутации и управления к внешнему потребителю электроэнергии.
При этом реактивная ветротурбина приводится во вращение от крутящего момента ветроколеса через обгонную муфту и редуктор.
Вращение центробежного компрессора, подающего воздух в пустотелые лопасти реактивной ветротурбины, осуществляется за счет работы электродвигателя, питание которого осуществляется от энергии, ранее накопленной в блоке аккумуляторов и преобразованных в переменный ток в инверторе.
Реактивный поток объединенной массы воздуха из насадок - сопел Лаваля обеспечивает увеличение крутящего момента на валу реактивной ветротурбины и, как следствие, увеличение мощности и КПД устройства.
При увеличении скорости вращения реактивной ветротурбины, по сравнению со скоростью вращения ветроколеса, передача крутящего момента через обгонную муфту прекращается, а блок управления и коммутации принимает сигнал от тахометра об увеличении скорости вращения реактивной ветротурбины, что приводит к отключению питания электродвигателя центробежного компрессора и снижению массы потока воздуха, поступающего в пустотелые лопасти реактивной ветротурбины. И, как следствие, снижение крутящего момента и скорости вращения реактивной турбины до номинальной - рабочей величины. При снижении скорости вращения реактивной ветротурбины ниже номинальной - рабочей величины, сигнал с тахометра определяется блоком коммутации и управления как сигнал запуска электродвигателя центробежного компрессора, что приводит к увеличению объема (веса) воздушного потока, поступающего в пустотелые лопасти реактивной ветротурбины и, соответственно, крутящего момента.
Такое техническое решение позволяет упростить кинематические механизмы работы ветро-реактивного преобразователя, не требует сложных средств стабилизации, синхронизации и преобразования накопленной на блоке аккумуляторных батарей электрической энергии, обеспечивает устройству стабильность получения электрической энергии, при нестабильном напоре воздушного потока.
Ветрогенератор (ветроколесо и генератор) может быть применен любого типа, а именно: с вертикальной или с горизонтальной, осью вращения ветроколеса, поскольку он носит вспомогательный характер и предназначен для создания необходимой первичной мощности для запуска устройства.
Размещение (вертикальное или горизонтальное) для реактивной ветротурбины также носит не принципиальный характер, поскольку кинематические и электрические связи не накладывают конструктивных ограничений на пространственное размещение элементов устройства.
Работа устройства.
Ветро-реактивный преобразователь работает следующим образом. Режим запуска.
Набегающий поток воздуха раскручивает ветроколесо - 1, генератором - 2 вырабатывает электрический ток, который поступает по цепи - 31 на один вход блока аккумуляторных батарей - 33, крутящий момент, создаваемый ветроколесом - 1 передается через обгонную муфту - 3 и вал - 4, на шестерню -6 редуктора 5. Шестерня - 7 паразитная, передает вращение на шестерню - 10 и через вал - 11 передается вращательный момент на насадок - 13 реактивной ветротурбины - 15. Поток воздуха - 41 засасывается в канал нагнетания воздуха - 40. При нажатия кнопки - 27 запуска электродвигателя центробежного компрессора - 14, по цепи - 24 подается электропитание на электродвигатель - 30 центробежного компрессора - 14. Объем воздушного потока - 41 значительно увеличивается и реактивная ветротурбина - 15 через насадки - сопла Лаваля - 16 выпускает поток сжатого воздуха - 43, при этом крутящий момент реактивной ветротурбины - 15 увеличивается. Набегающий поток - 42 в насадке - сопло Лаваля, смешивается с потоком воздуха, поступающим из канала - 40 нагнетания воздуха, что приводит к дополнительному увеличению крутящего момента реактивной ветротурбины - 15.
Режим регулирования частоты вращения реактивной ветротурбины.
При увеличении скорости вращения реактивной ветротурбины - 15, происходит разъединение обгонной муфты - 3 и сигнал тахометра - 20 фиксируется блоком коммутации и управления - 21 как сигнал отключения электродвигателя - 30 центробежного компрессора - 14 по цепи - 24.
Снижение потока воздуха в реактивную ветротурбину - 15 снижает крутящий момент и скорость вращения генератора - 19.
При снижении числа оборотов реактивной ветротурбины - 15, сигнал тахометра - 20 фиксируется блоком коммутации и управления - 21 как сигнал включения электродвигателя - 30 центробежного компрессора - 14 по цепи - 24. Увеличение поступления массы потока воздуха в пустотелые лопасти реактивной ветротурбины - 15 увеличивает крутящий момент и скорость вращения генератора - 19.
Вырабатываемая электрическая энергия на генераторе - 2 ветроколеса - 1 поступает на один вход блока аккумуляторных батарей 33.
Выработанная электроэнергия на генераторе - 19 реактивной ветротурбины - 15 предварительно преобразуется с помощью автотрансформатора - 38 в рабочее напряжение для выпрямителя - 36, которое поступает на в ход стабилизатора напряжения - 34, выход которого по цепи - 32 соединен с другим входом блока аккумуляторных батарей - 33.
Электрическая энергия, накопленная на блоке аккумуляторных батарей - 33 от обоих генераторов 2 и 19, преобразуется на инверторе - 35 и через контроллер - 37 поступает по цепи - 25 на блок коммутации и управления - 21.
Подключение потребителей электрической энергии к ветро-реактивному преобразователю осуществляется по цепи - 39, путем коммутации кнопкой - 28 блока коммутации и управления - 21 к цепи - 25 контроллера - 37.