ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ОБОГРЕВАЕМЫМ ДИФФУЗОРНЫМ УСКОРИТЕЛЕМ
WIND-DRIVEN POWER PLANT WITH HEATED DIFFUSER ACCELERATOR

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергетическим установкам автономного электроснабжения с диффузорным ускорителем воздушного потока, повышающим эффективность и безопасность установки.
Известна ветроэнергетическая установка с ускорителем, ветроколесами, связанными с ними электрогенераторами и солнечной батареей, размещенной над ускорителем (см. патент RU №2349792, кл. F03D 1/04, опубл. 20.03.2009). Ускоритель выполнен в виде трубки Вентури, что делает его крайне неэффективным в свободном потоке. Ветроколеса размещены в неблагоприятных местах, а их количество и количество электрогенераторов, а также размещение отдельным сооружением солнечной батареи делает установку громоздкой и дорогой. Кроме того, в установке не решены вопросы электроснабжения в отсутствии солнца и ветра.
Частично эти вопросы решены в системе для автономного электроснабжения потребителей (см. патент RU №2382900, кл. F03D 9/02, опубл. 27.02.2010), где к связанному с ветроколесом электрогенератору через преобразующую и регулирующую аппаратуру подключены аккумуляторная батарея и инвертор. Но система для автономного электроснабжения потребителей не сможет их снабжать электричеством в случае длительного безветрия и разряда аккумуляторной батареи. В случае же полного заряда батареи, при наличии ветра и отсутствии потребителей электроэнергии в системе не предусмотрены сброс или утилизация излишков электроэнергии, либо защита ветроколеса.
Сброс излишков электроэнергии частично решен в известном ветроагрегате ВЭУ 2000 (http://www.clean-wind.ru/production/wpu/index.html), в котором к блоку электропитания подключен трубчатый электронагреватель (ТЭН). Такое использование ТЭНа может быть полезно только в холодное время года, либо в условиях Крайнего Севера. Кроме этого, в ветроагрегате используется быстроходное двухлопастное ветроколесо, что не комфортно и не безопасно для автономного потребителя, который часто находится вблизи ветроагрегата.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является ветроэнергетическая станция «Колибри» (Паспорт ПС №1/7-2009оп и инструкция по эксплуатации ветроэнергетической станции «Колибри», г.Москва, ООО НПП «ВЭП», 2009.). Станция содержит диффузорный ускоритель, размещенное внутри него ветроколесо и соединенный с ним электрогенератор. К электрогенератору подключены: преобразователь-распределитель электроэнергии с зарядными устройствами, инвертор, солнечная и аккумуляторная батареи. Диффузорный ускоритель и тихоходное ветроколесо позволяют эффективно и безопасно эксплуатировать станцию вблизи жилья. Излишки электроэнергии сбрасываются на балластную электрическую нагрузку зарядного устройства ветрогенератора. Эта нагрузка не является полезной и, кроме того, это ухудшает температурные условия работы зарядного устройства, что в конечном итоге снижает общую надежность и срок службы. Для размещения зарядных устройств, инвертора и аккумуляторной батареи требуется отдельное помещение с поддержанием соответствующего микроклимата. Между указанным помещением, электрогенератором и солнечной батареей необходимы электрокоммуникации. Все это значительно удорожает станцию, снижает ее эффективность, сужает климатические условия эксплуатации, в частности не решены вопросы эксплуатации станции в условиях низких температур и возможного обледенения ее элементов.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении эффективности работы ветроэнергетической установки, а также в расширении температурного и влажностного диапазонов ее эксплуатации. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что ветроэнергетическая установка содержит диффузорный ускоритель, размещенное внутри него ветроколесо, соединенное с электрогенератором, к которому подключен преобразователь-распределитель электроэнергии и электрически связанные с последним инвертор, солнечная и аккумуляторная батареи, причем к преобразователю-распределителю электроэнергии дополнительно подключен термоэлектрический нагреватель, размещенный на диффузорном ускорителе. Элементы солнечной батареи предпочтительно размещены на внешней верхней поверхности диффузорного ускорителя. К преобразователю-распределителю электроэнергии может быть подключена метеостанция, включающая анемометр, а также датчики влажности и температуры воздуха. К преобразователю-распределителю электроэнергии также может быть подключен датчик частоты вращения ветроколеса, лопасти ветроколеса при этом выполняют поворотными и снабжают электроприводом, также подключенным к преобразователю-распределителю электроэнергии. Термоэлектрический нагреватель предпочтительно выполнен секционным. Диффузорный ускоритель целесообразно выполнять полым, и размещать в его полости преобразователь-распределитель электроэнергии, инвертор, аккумуляторную батарею и часть секций термоэлектрического нагревателя. Полость ускорителя моет быть снабжена дополнительным датчиком температуры, подключенным к преобразователю-распределителю, а на поверхности ускорителя могут быть выполнены монтажные люки.
На фиг.1 представлена принципиальная схема установки;
на фиг.2 - узел I на фиг.1;
на фиг.3 - поперечное сечение диффузорного ускорителя.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка содержит диффузорный ускоритель 1, выполненный в виде кольцевого профилированного крыла с щелевым закрылком. Внутри ускорителя 1 размещено ветроколесо 2, которое может быть выполнено как быстроходным малолопастным, так и малошумным, тихоходным, многолопастным. Ветроколесо 2 связано с электрогенератором 3. Указанная связь может быть выполнена жесткой, когда ротор генератора закреплен на ступице ветроколеса, или кинематической, когда между ветроколесом и электрогенератором размещен мультипликатор (на чертежах не показан). К электрогенератору 3 подключен преобразователь-распределитель электроэнергии 4, являющийся контроллером для управления работой установки, преобразования электроэнергии и ее распределения. С преобразователем-распределителем 4 электрически связаны инвертор 5, солнечная 6 и аккумуляторная 7 батареи. Установка дополнительно содержит термоэлектрический секционный нагреватель 8, подключенный к преобразователю-распределителю 4 и размещенный на диффузорном ускорителе 1.
Солнечная батарея 6 может быть выполнена отдельно стоящей, как изображено на фиг.1, или с целью снижения материалоемкости может быть размещена на внешней верхней поверхности Б диффузорного ускорителя 1, как изображено на фиг.3.
Предложенная установка может быть выполнена полностью регулируемой, т.е. в любой момент времени вырабатываемая энергия может быть уравнена с потребляемой. При этом ее нагреватель 8 будет использован только для поддержания требуемой температуры материалов и оборудования установки, исключения ее обледенения. Для этого установка дополнительно содержит подключенную к преобразователю-распределителю 4 метеостанцию 9 с анемометром и датчиками температуры и влажности воздуха, а также датчик 10 частоты вращения ветроколеса. В этом случае лопасти 11 ветроколеса выполнены поворотными и снабжены электроприводом 12, подключенным к преобразователю-распределителю 4.
Секции 13 нагревателя 8 могут быть выполнены в виде отдельных трубчатых электрических нагревателей (ТЭНов), токопроводящих шин или проводов, вмонтированных в поверхность ускорителя 1. Секции 13 могут также быть смонтированы на центральном обтекателе 14 и лопатках 15 направляющего аппарата. Наличие обтекателя 14 и лопаток 15 не является обязательным во всех случаях, поскольку ветроколесо 2 с электрогенератором 3 могут быть смонтированы на цилиндрической обечайке, образующей центральный эжектирующий канал (на чертежах не показано).
Для повышения компактности установки, упрощения электрических коммуникаций и снижения стоимости диффузорный ускоритель 1 выполнен полым. Преобразователь-распределитель 4, инвертор 5 и аккумуляторная батарея 7 при этом размещены в нижней части полости ускорителя 1 (см. фиг.3), что повышает устойчивость последнего в воздушном потоке. Ориентация ускорителя на ветер может быть осуществлена либо жесткой установкой по «розе ветров», либо приводом, аналогичным электроприводу 12 через редуктор, аналогичный редуктору 16.
Для использования в условиях низких температур полость ускорителя снабжают дополнительным датчиком температуры 17, подключенным к преобразователю-распределителю 4, а часть секций 13 нагревателя располагают в полости ускорителя 1. Для монтажа и обслуживания оборудования на поверхности ускорителя 1 выполняют монтажные люки 18.
Предлагаемая ветроэнергетическая установка работает следующим образом.
Алгоритм работы установки зависит от выбранного и реализованного способа ее регулирования.
В наиболее распространенном варианте от начальной скорости ветра до расчетной (номинальной) лопасти 11 ветроколеса 2 установлены под углом, соответствующим максимальному коэффициенту использования энергии ветра (коэффициенту мощности), ветровой поток усиливается диффузорным ускорителем 1 и воздействует на ветроколесо. Скорость обтекания ветроколеса 2 увеличивается пропорционально отношению большего диаметра ускорителя 1 к его меньшему, внутреннему диаметру. Мощность ветроколеса, соответственно, растет пропорционально скорости его обтекания в третьей степени. Энергия ветроколеса 2, работающего при максимальном коэффициенте мощности, передается электрогенератору 3. Вплоть до расчетной номинальной скорости ветра происходит рост мощности электрогенератора. С дальнейшим ростом скорости ветра мощность ветроколеса и электрогенератора поддерживаются постоянными. Это обеспечивается поворотом лопастей 11 ветроколеса 2, как показано на фиг.2, через редуктор 16 электроприводом 12 по сигналу преобразователя-распределителя 4. В результате этого коэффициент мощности снижается пропорционально третьей степени скорости ветра, сохраняя при этом постоянную мощность ветроколеса.
Вырабатываемое электрогенератором 3 электричество поступает в преобразователь-распределитель 4, где преобразуется в электроэнергию постоянного тока с фиксированным напряжением. Полученная энергия идет на зарядку аккумуляторной батареи 7, питание инвертора 5 и внешнего потребителя постоянного тока. Инвертор 5 вырабатывает для внешнего потребителя стабилизированное электричество переменного тока синусоидальной формы. В безветрие зарядка батареи 7 осуществляется от солнечной батареи 6. Перезаряд батареи 7 исключается преобразователем-распределителем 4, контролирующим через вольтметр ЭДС батареи 7. Если батарея 7 заряжена полностью, то питание потребителей осуществляется через инвертор 5 и преобразователь-распределитель 4 от электрогенератора 3 или солнечной батареи 6.
Если внешние потребители электричества отсутствуют или их мощность мала по сравнению с генерируемой электрогенератором 3 и (или) солнечной батареей 6, то излишки электроэнергии идут на термоэлектрический нагреватель 8. Выполнение нагревателя секциями 13 позволяет разместить их таким образом, чтобы оптимизировать погранслой и обеспечить безотрывное обтекание ускорителя 1. В случае угрозы обледенения, о чем сообщают датчики температуры и влажности метеостанции 9, преобразователь-распределитель запитывает нагреватель 8 независимо от заряда батареи 7 и потребляемых мощностей.
Таким образом, предлагаемая установка позволяет реализовать ее работу в полном соответствии с требуемой мощностью, т.е. вырабатывать столько энергии, сколько требует ее потребитель. При этом на вход преобразователя-распределителя 4 поступают сигналы первичных датчиков, таких как анемометр метеостанции 9 и датчик частоты вращения 10, а также данные о ЭДС аккумуляторной батареи 7, тока инвертора 5 (переменного тока в цепи нагрузки), постоянного тока нагрузки и ЭДС солнечной батареи 6. Преобразователь-распределитель 4 формирует управляющие импульсы для своих фидерных устройств. Последние включают электропривод 12, который при помощи редуктора 16 устанавливает лопасти 11 под углом, при котором суммарная мощность электрогенератора 3 и солнечной батареи 6 равняется мощности всех потребителей (включая аккумуляторную батарею 7). Излишков энергии, которые необходимо сбрасывать при этом нет, и нагреватель 8 используется только для формирования нужного погранслоя и исключения обледенения.
В полости ускорителя достаточно много места для размещения аккумуляторной батареи, инвертора, преобразователя-распределителя и их электрической коммуникации (см. фиг.3). Если установка эксплуатируется в холодное время, нормальные температурные условия работы перечисленного оборудования обеспечиваются с помощью датчика температуры 17 и секций 13 нагревателя. Монтажные люки 18 могут быть так же использованы для создания вентиляционных щелей при эксплуатации установки в жарком климате.
Таким образом, предлагаемая ветроэнергетическая установка позволяет расширить регион ее использования от экваториальных широт до районов крайнего севера, исключить возможность обледенения установки, снизить затраты на электрические коммуникации и монтаж оборудования, а также путем управления погранслоем и исключения срывных режимов существенно повысить ее энергетическую эффективность.