Фотоветровая автономная электростанция

Фотоветровая автономная электростанция, содержащая вертикально-осевой ротор на магнитных подвесах и концентратор ветрового потока, при этом вертикально-осевой ротор на магнитных подвесах установлен внутри концентратора ветрового потока, представляющего собой жесткие вертикальные пластины, и соединен с валом асинхронного электрогенератора на постоянных магнитах и из группы фотоэлектрических преобразователей, размещенных на одной стороне каждой из плоских направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока.
Настоящее заявляемое решение (Полезная модель) относится к возобновляемым источникам энергии, а именно к солнечной и ветровой энергетике и может быть использовано для обеспечения автономного электропитания отдельных объектов.
Уровень техники
Технической Задачей, на решение которой направлено настоящее заявляемое решение (Полезная модель) является создание простой, технологичной и высокоэффективной конструкции фотоветровой автономной электростанции, способной обеспечить уменьшение потерь при выработке электроэнергии.
В настоящее время известно большое количество запатентованных технических решений, направленных на решение указанной задачи, которые отличаются значительным разнообразием.
В числе прочих конструкций в большом числе представлены ветроэлектрические генераторы с ветронаправляющими экранами, состоящие из генерирующего узла, на роторе которого в подшипниковой опоре установлен вертикально-осевой ротор, к валу которого крепятся ветровоспринимающие элементы в виде лопастей и ветронаправляющего экрана. Данные устройства отличаются друг от друга, в основном, формами изгиба лопастей, размерами и мощностью.
Например, известен ветроэнергетический агрегат с вертикальной осью вращения (Патент RU №2352810), в котором генератор установлен между двумя блоками ветровой турбины и дополнительно снабжен валом
на статоре, при этом ротор и статор генератора механически соединены с роторами блоков, пластины статора и лопатки ротора верхнего блока установлены в направлении вращения ротора турбины и соединенного с ним ротора генератора по часовой стрелке, а пластины статора и лопатки ротора нижнего блока установлены в положении вращения ротора турбины и соединенного с ним статора генератора против часовой стрелки.
К недостаткам конструкции данного агрегата следует отнести то, что в нем пластины статоров верхней и нижней ветровых турбин размещаются равномерно по периметру окружности статора с расстоянием между пластинами в пределах 0,6-60° в зависимости от его диаметра, т.е. количество пластин каждого статора составляет от 6 до 600. Чем больше используется пластин, тем более узкими становятся каналы между ними, и тем значительнее аэродинамические потери энергии ветра в этих каналах. В то же время, эффективность собирания ветра при частом расположении пластин снижается, т.к. одни пластины всегда оказываются частично заэкранированы другими.
Также известна «Ветроустановка Вера» (Патент RU №2162546), содержащая башню, ветряной двигатель с вертикальной осью вращения, генератор и эжекторные системы, состоящие из направляющих воронок, подключенных к внутренней полости башни и направленных на лопасти ветряного двигателя. Ветряной двигатель выполнен одноярусным, вращающимся от двух ветровых потоков: первый поступает через конусы в верхней части башни, а второй - через эжекторы, выполненные вертикальными, при этом ветроустановка содержит наружный и внутренний воздушные аккумуляторы, второй и третий генераторы, машинный зал и шахту, причем первый и второй генераторы размещены в башне и подключены к ветряному двигателю с помощью скоростного электромагнитного редуктора, а третий генератор соединен с приводом через электромагнитную муфту сцепления, запуск первого и второго генераторов происходит через редуктор, а третьего - через электромагнитную муфту сцепления.
Однако данный агрегат имеет ряд существенных недостатков. Прежде всего это высокая технологическая сложность изготовления и взаимной подгонки всех конструкций и конструктивных элементов и комплектующих, а также необходимость значительных трудовых и технологических затрат на изготовление, монтаж и на приведение механизмов в рабочее состояние, обеспечивающее точность, правильность и надежность их взаимодействия. Кроме того, для строительства таких ветряков необходимо возводить искусственные курганы высотой от 100 метров до 300 метров, с выдержкой грунта кургана на уплотнение до двух лет, на что указывается непосредственно в описании к патенту.
Также известна ветроустановка (Патент RU №2028504), содержащая установленный на основании башни ротор, выполненный в виде валов, размещенных один в другом, и двух ярусов лопаток, генератор, причем в верхней части башни установка снабжена двумя конусами, установленными соосно с двух торцов ярусов лопаток и обращенными вершинами один к другому, раструб-концентратор, перегородку между ярусами и неподвижный наружный венец направляющих лопаток.
К недостаткам установки относится небольшая эффективность использования энергии ветра, сложность конструкции, необходимость наличия высокой башни с прочным фундаментом, увеличивающей капитальные затраты при строительстве установки.
Также известна ветроэлектрическая установка (Патент SU №1523710, 1989 г.), содержащая лопасти, закрепленные на бесконечной ленте, охватывающей шкивы, установленные на валах и связанные с поворотной рамой, ветрозащитную камеру, генератор, эжектор с трубопроводом и ветроулавливающими раструбами.
К недостаткам установки относится сложность высотной конструкции, малая надежность при больших скоростях ветра, подверженность всей конструкции опрокидыванию при увеличении скорости ветра.
Известна ветроустановка (Патент RU №2105189), содержащая башню, ветряной двигатель с вертикальной осью вращения, генератор и эжекторные системы, состоящие из направляющих воронок, подключенных к внутренней полости башни и направленных на лопасти ветряного двигателя.
К недостаткам установки относится открытый вариант исполнения, необходимость использования электромоторов для принудительной эжекции воздушного потока, контрроторный привод вращения, нерациональное использование дефицитных пахотных земель.
Также известна ветроэнергетическая установка (Патент RU №2251022), состоящая из ветряного колеса с лопастной ветровой турбиной с вертикальной осью вращения, расположенной внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, при этом электрогенератор размещен на верхнем конце оси ветровой турбины. В центре верхней крышки воздухонаправляющего аппарата установлена воздухоотводящая труба, в которой на верхнем конце оси вращения ветровой турбины установлен электрический генератор, там же находятся накопитель энергии и блок управления. Дополнительно установка содержит фотоэлектрический преобразователь световой энергии, фотоэлектрические элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата и связаны с накопителем энергии.
Данная ветроэнергетическая установка очень сложна в изготовлении ротора, лопастей направляющего аппарата и лопастей ротора, трудозатратна при монтаже, требует очень высокой точности при проведении всех производственных операций.
Кроме того, размещение электрогенератора, накопителя энергии и блока управления на верхнем конце оси ветровой турбины внутри воздухоотводящей трубы значительно усложняет эксплуатацию, уменьшает ремонтопригодность ветроэнергетической установки, увеличивает расходы на техническое обслуживание.
Кроме того, данная ветроэнергетическая установка недостаточна надежна в эксплуатации по причине незащищенности от неблагоприятных внешних факторов (снег, пыль, лед и т.п.). В частности, даже небольшие количества осадков в виде мокрого снега и льда, способные быстро накапливаться на горизонтальных рабочих поверхностях, особенно в зазорах между крышками ветровой турбины и воздухонаправляющего агрегата, могут за короткое время полностью заблокировать вращение ротора.
Кроме того, фотоэлектрические элементы, размещенные на горизонтальной поверхности верхней крышки воздухонаправляющего аппарата, не способны работать, будучи загрязненными осадками (снег, пыль, лед). Очистка фотоэлектрических элементов, расположенных на горизонтальной поверхности верхней крышки воздухонаправляющего аппарата, является весьма трудоемкой операцией.
Вследствие всех указанных причин установка способна производить небольшой объем электрической энергии, несмотря на дополнительный источник электроэнергии в виде солнечной батареи, по причине малой инсоляции на большинстве российских территорий.
Также известна солнечная ветроустановка (Патент РФ №1471756), в которой для интенсификации воздушного потока, поступающего на ветроагрегат, используется тепло солнечной энергии. Ветроустановка содержит установленное под углом поглощающее основание, расположенное над ним с образованием воздушной полости прозрачное покрытие, сообщенный с этой полостью рабочий канал и установленный внутри рабочего канала ветроагрегат. Установка дополнительно содержит оребренную поглощающую поверхность, размещенную в полости. Поглощающее основание снабжено чередующимися углублениями и выступами. Ребра со стороны основания ориентированы в направлении рабочего канала, а со стороны прозрачного покрытия имеют покрытие, отражающее солнечное излучение. Покрытие может иметь пилообразный профиль. Ребра могут контактировать с поглощающим основанием и покрытием.
Поглощающая поверхность нагревается солнечным излучением и нагревает воздух с двух сторон. Вследствие разности температур и давлений объема воздуха под прозрачным покрытием и в рабочем канале, создается воздушный поток вдоль поглощающей поверхности и ее ребер, который направляется в рабочий канал. Из рабочего канала этот поток воздуха поступает на ветроагрегат, который вырабатывает электроэнергию.
Такое решение может обеспечить эффективную работу ветроагре-гата. Однако для реализации решения требуется наличие очень больших дополнительных площадей, на которых желательно наличие значительных перепадов высот. Установка очень материалоемка, сложна по конструкции. Работа данной конструкции возможна только при наличии солнечного света.
Также известен роторный ветродвигатель с ветронаправляющим экраном (Патент RU №2474725), содержащий вращающуюся ветротурбину, расположенную внутри ветронаправляющего экрана, состоящего из отдельных лопаток, поворачивающихся на своих осях и ориентированных на лопасти ветротурбины; при этом лопатки снабжены рычагами, концы которых объединены общей гибкой тягой, а ветродвигатель снабжен управляющей поворотной платформой, содержащей совмещенные в одном узле и закрепленные на оси платформы с возможностью поворота в вертикальной плоскости флюгер и стабилизатор с наклонной плоскостью, причем стабилизатор через упорный подшипник соединен дополнительной тягой с общей тягой рычагов лопаток экрана.
Одним из недостатков данной конструкции надо считать то, что направляющие лопатки выполнены поворотными и соединены общей тягой, в свою очередь соединенной с флюгером. Чем большее число поворотных устройств, работающих синхронно, имеется в конструкции, тем выше вероятность нарушения синхронности работы всей системы. Поворотные устройства выходят из строя вследствие: износа опорных втулок или подшипников; воздействия на поворотные механизмы пыли, грязи, снега, льда, дождя и т.п.; воздействия на поворотные механизмы шквалистых порывов ветра. Результат всегда будет один: часть поворотных устройств может остаться неповрежденной, а часть их может выйти из строя. Кроме того, нельзя обеспечить согласованную работу флюгера, гибкой тяги и поворотных лопаток при слабых потоках ветра или при шквалистых порывах ветра. Несогласованная работа флюгера, гибкой тяги и поворотных лопаток приведет к ускоренной разбалансировке всей конструкции и ее разрушению.
Также известен роторный ветродвигатель (Авторское свидетельство СССР №1467248), содержащий ветронаправляющий аппарат с флюгером. Как следует из описания к патенту, техническим результатом разработки является повышение надежности работы путем ограничения скорости вращения ротора. При этом внутри ветронаправляющего аппарата устанавливается ротор Савониуса, производительность которого относительно других вертикально-осевых роторов изначально является самой низкой. Кроме того, в конструкции достаточно много движущихся деталей, помимо собственно вала ротора. Это - флюгер, управляющий расположением обечайки (экрана), препятствующей набеганию одной части воздушного потока на движущиеся ей навстречу лопасти ротора и одновременно направляющей другую часть воздушного потока на те лопасти ротора, которые, сделав полный оборот, возвращаются под напор воздушного потока. Это - собственно обечайка, жестко связанная с флюгером. Это - подпружиненный дуговой щит для направления воздушного потока на ротор. Данная установка достаточно громоздка, обладает большой инерцией, а ветронаправляющий аппарат (экран) не способен реагировать на частые изменения направления ветра, что снижает общий коэффициент использования энергии ветра.
Также известен ветродвигатель (Авторское свидетельство СССР №985402), отличающийся наличием флюгера и направляющего аппарата, выполненного в виде двух групп лопаток, имеющих переменную длину, увеличивающуюся в каждой группе в направлении вращения ротора. Данный ветродвигатель способен выходить на номинальную мощность только при высоких скоростях ветра (от 11-12 м/сек.). На более низких скоростях ветра направляющий аппарат, представляющий собой конструкцию из верхней и нижней крышек, жестко соединенных расположенными вертикально двумя группами лопаток, имеющих переменную длину, увеличивающуюся в каждой группе в направлении вращения ротора, а также флюгера, располагающегося на верхней крышке, действует неэффективно.
Также известен флюгерный ветрогенератор (Патент Франции №2286954, опубл. 1976 г.) Это устройство имеет вертикальную ось вращения рабочего колеса, которое охватывается флюгером. Здесь флюгер охватывает рабочее колесо в пределах, близких к половине окружности, для чего нет никакой необходимости, ибо одной четверти окружности со стороны клина вполне достаточно для ограждения от ветра встречно движущихся лопаток рабочего колеса. Кроме того, самоустанавливающийся флюгер никак не может располагаться вдоль направления ветра, ибо усилие, действующее на клин, обязательно развернет флюгер вокруг вертикальной оси в направлении, встречном движению колеса, пока усилие на клиновой части не уравновесится усилием ветра, действующим на хвостовую часть флюгера. Из-за этого увеличится парусность всей конструкции и создадутся условия для ее опрокидывания. Также при таком повороте флюгера ветер начинает воздействовать на встречно движущиеся лопатки рабочего колеса, что приводит к снижению эффективности работы всего устройства. Кроме того, флюгер насажен на вал рабочего колеса, что делает эти два элемента кинематически зависимыми, следовательно, при скоростях ветра выше средней (более 6-7 м/сек.) может возникнуть аварийная ситуация. Также указанное устройство обладает высокой металлоемкостью и сложностью кинематики, что не всегда приводит к необходимому уплотнению воздушного потока и к необходимому несимметричному воздействию ветра на рабочее колесо.
Также известна роторная конструкция (Патент Германии №3715008, опубл. 1988 г.), содержащая ветронаправляющий аппарат с конфузорно-диффузорным каналом.
В данной установке используется только часть кинетической энергии ветра, определяющаяся его скоростью и площадью ометания поверхности ветронаправляющих аппаратов. Конструкция ветронаправляющего аппарата и конструкция ротора (ветротурбины) внутри ветронаправляющего аппарата кинематически объединены и не позволяют увеличивать площадь ветрозахвата (площадь ометания) без кардинальной переделки всего сооружения.
Кроме того, данная установка громоздка, обладает большой инерцией, т.е. не может реагировать на изменения направления ветра при низких скоростях ветра, а ее ветронаправляющий аппарат (экран) не может реагировать на частые изменения направления ветра. Также данная установка не может эффективно реагировать на порывы ветра, что снижает общий коэффициент использования энергии ветра.
Также известна ветроэнергетическая установка (Патент RU №2501973), содержащая ветрогенератор с лопастной ветровой турбиной с вертикальным валом вращения, расположенной внутри неподвижного лопастного воздухонаправляющего аппарата с основанием и крышкой, электрогенератор, сообщенный с вертикальным валом ветровой турбины, блок управления, дополнительный источник электроэнергии, отличающаяся тем, что она снабжена защитным кожухом, оснащенным подвижно соединенными между собой и относительно кожуха консолью и шарнирным валом, сообщенным с электрогенератором. Установка дополнительно снабжена общим валом, установленным внутри защитного кожуха и соединенным с шарнирным валом и вертикальным валом вращения ветрогенератора через передаточные механизмы, и на котором установлен электрогенератор. Дополнительный источник электроэнергии выполнен в виде ветровоспринимающего рабочего органа, имеющего форму воздушного купола с прикрепленными к последнему стропами, и гибкий вал, соединенный одним концом жестко с подвижной консолью защитного кожуха, а другим концом гибкий вал подвижно соединен с незакрепленными на воздушном куполе концами строп, объединенными вместе в одной точке механизмом, обеспечивающим вращение воздушного купола относительно гибкого вала. Из описания и чертежей следует, что конструкция данной ветроэнергетической установки очень громоздка, сложна, трудоемка в изготовлении, трудозатратна при монтаже, ее обслуживание при низкой ремонтопригодности очень дорого, а по производительности данная конструкция не превосходит другие ветроэнергетические агрегаты.
Также известен роторный ветродвигатель (Патент RU №2494284), который содержит корпус, состоящий из двух дисков, параллельно скрепленных с внешней стороны равноотдаленными вертикальными направляющими пластинами, в котором в осевых отверстиях размещен вал с жестко закрепленным на нем пустотелым ротором, а внутри ротора параллельно оси вращения на одинаковом расстоянии друг от друга под определенным углом расположены лопатки; между валом и ротором дополнительно установлен цилиндр, причем ротор крепится к цилиндру с помощью равноотстоящих аксиальных пластин, образующих аксиальные воздушные каналы; направляющие пластины расположены тангенциально по отношению к ротору, а между внутренней поверхностью дисков и поверхностью ротора с обеих сторон конструктивно образованы дефлекторные воздушные каналы расчетной величины. Коренным недостатком данной конструкции является то, что ветровой поток, формируемый направляющими пластинами, установленными тангенциально к ротору, проходит по касательной мимо лопаток ротора, установленных также тангенциально к оси ротора, вследствие того, что угол поворота как направляющих пластин, так и лопаток ротора, одинаков к радиусу ротора. Следовательно, лопатки ротора не могут работать как парус, из-за чего эффективность ветродвигателя является низкой. В сочетании со значительной материалоемкостью, а также необходимостью проведения высокоточных работ при монтаже и при обслуживании производительность и экономическая эффективность данного роторного ветродвигателя невысока.
Также известна ветротурбинная установка (Патент RU №2488019), имеющая в своем составе статор с верхним и нижним основаниями, соединенными между собой вертикальными направляющими лопастями, ориентированными внутрь. В статоре размещен ротор, снабженный продольными лопатками. Ротор выполнен в виде полого сужающегося вверх конуса. Лопатки ротора установлены на наружной поверхности конуса и ориентированы под углом к оси симметрии ротора. Во внутренней полости ротора установлены пластинчатые крестовины, соединяющие ротор с верхней и нижней полуосями вращения. Нижнее основание статора выполнено с обеспечением возможности поступления воздуха внутрь ротора. Верхнее основание статора имеет коническую часть, направленную и сужающуюся в сторону нижнего основания, и имеет осевое отверстие, диаметр которого больше, чем верхний диаметр конуса ротора, с образованием кольцевого зазора между ними. На верхней полуоси ротора, выходящей внутрь конической части верхнего основания статора, установлена дополнительная крыльчатка. Нижняя полуось ротора установлена на нижнем основании статора. Верхняя полуось соединена с верхним основанием при помощи радиальных ребер, установленных внутри конической части верхнего основания. В процессе работы в конструкции реализуются два вихревых восходящих потока: один - на поверхности ротора, другой - внутри него.
Данная ветротурбинная установка сложна в изготовлении, т.к. требует предельно точного соответствия всех технических характеристик поверхности конуса и примыкающих к нему под углом к оси симметрии ротора продольных лопаток. Также трудоемко и материалоемко изготовление дополнительной крыльчатки.
Кроме того, как показывает теория и практика аэродинамики, между сплошной поверхностью конуса и вплотную примыкающими к нему лопатками при скоростях ветра выше средней (более 5 м/сек.) неизбежно будет образовываться воздушное уплотнение (так называемый «воздушный пузырь»), которое будет препятствовать полноценной работе лопаток ротора как паруса вследствие того, что воздушный поток стремится обогнуть по касательной встречающееся препятствие (в данном случае - «воздушный пузырь»), что значительно снижает производительность конструкции.
Также известна ветротурбинная установка (Патент RU №2286477), содержащая ротор, размещенный внутри неподвижного корпуса (статора) с возможностью вращения в нем. Ротор состоит из вала, на котором установлены вертикально по окружности на заданном расстоянии от центра турбинные лопатки радиального типа, которые соединяются с валом ротора посредством кронштейнов (крестовин). Статор выполнен в виде направляющего аппарата, состоящего из вертикально расположенных направляющих лопастей, которые установлены под острым углом к внешней кромке турбинных лопаток радиального типа, которые образуют внешние ветровые проточные каналы, расположенные по касательной к внутренней окружности установки. Нижняя часть ротора выполнена в виде осевой турбины. На валу установлены рабочие лопатки осевого типа, которые предназначены для работы в потоке воздуха, выходящем из направляющих лопаток. Дополнительные направляющие лопатки установлены в нижней части корпуса и расположены радиально внутри обечайки. Нижний конец ротора оперт на обтекатель, который жестко скреплен с концами лопаток направляющего аппарата. Верхняя часть обечайки скреплена с корпусом, а нижняя - опирается на верхнюю часть полого корпуса (на трубу самотяги), на котором установлен конфузор. В нижней части полого корпуса выполнены воздухоподводящие окна.
Данная конструкция имеет ряд существенных недостатков, таких как: высокая сложность и стоимость изготовления турбинных лопаток радиального типа; сложность конструирования, изготовления и монтажа трубы самотяги; наличие конфузора, который способен давать рабочий эффект только при очень высоких скоростях ветра (более 15 м/сек.). Указанные недостатки в комплексе делают изготовление данной ветротурбинной установки очень дорогой, а ее эксплуатацию - малоэффективной.
Также известна ветротурбинная установка (Патент Германии DE №3636248), содержащая ротор, размещенный вертикально с возможностью вращения внутри корпуса и снабженный лопатками. В данной установке ветротурбина установлена в трубе и работает в восходящем потоке воздуха, используя эффект самотяги. Существенными недостатками данной конструкции надо назвать: обязательное наличие трубы, подводящей снизу к турбине нагретый воздух; значительные габариты всей конструкции; невозможность работы агрегата при отсутствии солнца.
Также известна ветротурбинная установка (Патент RU №2240442), содержащая ротор фрикционного типа, выполненный в виде вала, размещенного вертикально с возможностью вращения внутри корпуса и снабженного пластинами, установленными одна относительно другой на заданном вертикальном расстоянии. Пластины выполнены в виде плоских дисков. Между дисками по всему периметру ротора установлены лопатки турбинного типа. Пластины и лопатки ротора скреплены растяжками на заданном расстоянии по окружности ротора. Корпус ветротурбинной установки выполнен в виде направляющего аппарата, содержащего вертикально расположенные направляющие лопатки по всему периметру корпуса, установленные тангенциально внешней кромке плоских дисков. Входные кромки направляющих лопаток выполнены поворотными и соединены с флюгером. Ротор ветротурбинной установки связан с валом нагрузочного устройства, например, электрогенератора посредством нагрузочного обода, закрепленного на нижней кромке ротора с возможностью контакта с фрикционным колесом, надетым на вал электрогенератора.
К существенным недостаткам данной конструкции следует отнести то, что входные кромки направляющих лопаток выполнены поворотными и соединены с флюгером. Как показывает теория и практика механики, чем больше в одной конструкции поворотных устройств, предназначенных работать синхронно, тем выше вероятность нарушения синхронности в работе всей системы. Поворотные устройства могут выйти из строя вследствие износа механических частей (втулок или подшипников); воздействия на поворотные механизмы осадков (пыль, грязь, снег, лед, дождь и т.п.); воздействия на поворотные механизмы шквалистых порывов ветра. Результат всегда будет один: часть поворотных устройств выйдет из строя, что приведет к разбалансировке работы всей конструкции.
Кроме того, наличие флюгера указывает на то, что данная ветротурбинная установка сможет занимать относительно выгодное положение только при скорости ветра значительно выше средней (более 10 м/сек.)
Также известен ветряной двигатель, содержащий статор с внешними ветровыми проточными каналами и колоннами, образующими направляющий аппарат, который ориентируется по ветру посредством флюгера (Патент Японии №5-11218).
Недостатками данного решения является большое количество подвижных элементов, что значительно усложняет конструкцию, требует высоких трудозатрат при изготовлении, делает ее громоздкой, очень сложной в эксплуатации и в ремонте. Кроме того, в конструкции отсутствуют устройства, защищающие ротор от разрушения при превышении предельно допустимой частоты вращения.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели следует считать ветродвигатель (Патент RU №2231682), содержащий конструкционный каркас с опорными подшипниковыми узлами вертикального вала, кинематически связанного с потребителем механической энергии, снабженными разборным чехлом, жестко установленное на валу полое ветроколесо из двух горизонтальных дисков с лопастями, регулировочное устройство ограничения потока воздуха, полый выпукло-вогнутый направляющий аппарат, содержащий внутреннюю профильную перегородку, охватывающую ветроколесо, образующую конфузорно-диффузорный канал с вертикальными стенками. Полый выпукло-вогнутый направляющий аппарат установлен с возможностью вращения и флюгирования в собственных подшипниковых узлах, нижний из которых установлен на оборудовании основания (на конструкции нижнего подшипникового узла вертикального вала ветроколеса), верхний - на перекладине (ниже верхнего подшипникового узла вертикального вала ветроколеса). Между вертикальным валом ветроколеса и нижним подшипниковым узлом полого направляющего аппарата установлен центрирующий подшипник.
Однако у данной конструкции имеются серьезные недостатки, препятствующие эффективной эксплуатации конструкции: очень высокая сложность изготовления, обусловленная необходимостью чрезвычайно точной подгонки всех деталей конструкции, особенно полого выпукло-вогнутого направляющего аппарата, содержащего внутреннюю профильную перегородку, охватывающую ветроколесо и образующую конфузорно-диффузорный канал с вертикальными стенками. Конструкция обладает большой инерцией, следствием чего является низкая надежность обеспечения флюгирования, т.к. общий вес флюгируемой конструкции требует наличия стабильных (т.е. без порывов) скоростей ветра не менее 10-12 м/сек.
Кроме того, конструкция, сложна в монтаже и настройке, а также имеет пониженную ремонтопригодность вследствие затрудненного доступа к подшипниковым узлам, т.к. в случае выхода какого-либо подшипника из строя потребуется разбирать всю конструкцию.
Обобщая все вышесказанное, следует подчеркнуть, что все рассмотренные конструкции имеют ряд общих недостатков, таких как:
- чрезмерное количество различных сложных деталей и сборочных единиц, ведущих как к технологической сложности изготовления, так и к проблемам при монтаже конструкций и при их эксплуатации на местах;
- большой момент инерции при работе агрегатов из-за того, что значительная часть массы у рассмотренных конструкций (многочисленные лопасти) сконцентрирована на достаточно большом расстоянии от оси.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее заявляемое решение (Полезная модель) является создание простой, технологичной и высокоэффективной конструкции фотоветровой автономной электростанции, способной обеспечить уменьшение потерь при выработке электроэнергии.
Реализация указанного технического результата обеспечена следующей совокупностью существенных признаков.
Использование ветрового потока
Ветровой поток (Фиг. 2, обозначение 1), проходящий через вертикальные пластины концентратора ветрового потока (Фиг. 2, обозначение 3), концентрируется внутри вертикально-осевого ротора, в рабочей зоне, согласно закона Бернулли, повышая тем самым эффективность работы вер-
ротора. Вертикально-осевой ротор передает крутящий момент на асинхронный электрогенератор при помощи мультипликатора, передаточное число которого подбирается в зависимости от быстроходности применяемого электрогенератора на постоянных магнитах, преобразующего энергию вращения ротора в электрический ток.
Эффективность предлагаемой конструкции значительно превышает имеющиеся аналоги ветровых электростанций с вертикально-осевыми конструкциями.
Например, расчет мощности ветровой электростанции любого из традиционных типов производится по формуле:
3
Р=0,593×S×V,
где Р - мощность ветрогенератора;
0,593 - коэффициент Н.Е. Жуковского;
S - площадь ометаемой поверхности;
V- скорость ветра, проходящего через площадь ометаемой поверхности.
3
Рассмотрим идеальный вариант, при котором мы пренебрегаем плотностью воздуха, равной 1,23 кг/м; и пренебрегаем коэффициентами полезного действия генератора и мультипликатора, принимая их за идеальные.
2
2
Например, вертикально-осевая электростанция любого из традиционных типов с диаметром ротора 4 метра и высотой ротора 3 метра имеет ометаемую поверхность, равную 12 м (4 м × 3 м=12 м) В этом случае при скорости ветра 5 м/сек. мощность, вырабатываемая генератором при использовании такого ветрового потока, в идеальном варианте будет равна:
2
3
0,593×12 м×(5 м/сек.)=0,593×12×125=889,5 Ватт
Заявляемая полезная модель позволяет значительно увеличить мощность, вырабатываемую генератором, за счет того, что внутренняя часть концентратора ветрового потока разделяется на рабочую зону и нерабочую зону. Ветровой поток (Фиг. 2, обозначение 1) при помощи вертикальных пластин концентратора ветрового потока (Фиг. 2, обозначение 3) распределяется так, что наибольшая часть ветрового потока в виде плотной воздушной струи направляется непосредственно на лопасти вертикально-осевого ротора (Фиг. 2 обозначение 4), а меньшая часть ветрового потока отводится в сторону. Следствием этого является рост коэффициента повышения скорости ветрового потока внутри концентратора ветрового потока, непосредственно на лопастях вертикально-осевого ротора (Фиг. 2, обозначение 4), как минимум в 1,7 раза и как максимум, в 2,3 раза, в зависимости от скорости ветра в месте функционирования фотоветровой автономной электростанции: чем больше скорость ветра, тем выше коэффициент повышения скорости ветра внутри концентратора ветрового потока.
Вертикальные пластины концентратора ветрового потока (Фиг. 2, обозначение 3) распределяют ветровой поток (Фиг. 2, обозначение 1) таким образом, чтобы ветровой поток направлялся только в рабочую зону, на те лопасти вертикально-осевого ротора (Фиг. 2, обозначение 4), которые непосредственно воспринимают кинетическую энергию ветрового потока и не направлялся в нерабочую зону, то есть не воздействовал на те лопасти вертикально-осевого ротора, которые движутся навстречу направлению ветрового потока.
Несмотря на то, что половина ветрового потока отводится в сторону за счет использования вертикальных пластин концентратора ветрового потока (Фиг. 2, обозначение 3) и вследствие этого площадь ометаемой поверхности фотоветровой электростанции уменьшается ровно наполовину, происходит увеличение выработки электроэнергии за счет уплотнения и ускорения ветрового потока на лопастях вертикально-осевого ротора (Фиг. 2, обозначение 4).
Например, при тех же условиях, которые названы выше (диаметр ротора, включая пластины концентратора ветрового потока, равен 4 метрам; высота ротора равна 3 метрам), мощность, вырабатываемая генератором при использовании такого ветрового потока, в идеальном расчете будет равна:
2
3
0,593×(12 м : 2)×(5×1,8)=0,593×6×729=2593,782 Ватт
Графическое изображение увеличение коэффициента повышения скорости ветра внутри концентратора ветрового потока представлено на Фиг. 1.
Поставленная задача - создание простой, технологичной и высокоэффективной конструкции фотоветровой автономной электростанции, решается тем, что предложенный концентратор ветрового потока устанавливается на раме, представляющей собой конструкцию из двух жестких колец, расположенных вертикально одно над другим и скрепленных между собой вертикальными стойками числом не менее трех. Верхние концы стоек связываются между собой жесткими балками так, чтобы жесткие балки проходили по радиусам верхнего кольца концентратора ветрового потока и скреплялись крепежной площадкой в центре верхнего кольца концентратора ветрового потока.
Нижние концы стоек связываются между собой жесткими балками так, чтобы жесткие балки проходили по радиусам нижнего кольца концентратора ветрового потока и скреплялись крепежной площадкой в центре нижнего кольца концентратора ветрового потока.
Вертикальные пластины концентратора ветрового потока (Фиг. 2, обозначение 3) устанавливаются внешними ребрами с равным шагом по окружности вокруг общей оси симметрии под углом 32-60 градусов к радиусам верхнего и нижнего колец концентратора ветрового потока и образуют внутренними ребрами цилиндрическую рабочую область при отношении внешнего диаметра концентратора ветрового потока к внутреннему диаметру концентратора ветрового потока как: от 1,5:1 до 2,5:1. Результатом работы предложенной конструкции является такое конфигурирование ветрового потока в рабочей области концентратора ветрового потока, что внутренняя зона концентратора ветрового потока четко разделяется на рабочую зону и нерабочую зоны (Фиг. 2).
В рабочей зоне происходит ускорение ветрового потока, направляемого на лопасти вертикально-осевого ротора, размещенного внутри концентратора ветрового потока.
Нерабочая зона предназначена для того, чтобы отвести в сторону часть ветрового потока и не допустить его воздействия на те лопасти вертикально-осевого ротора, которые движутся по окружности, возвращаясь после окончания воздействия на них ветрового потока в рабочей зоне концентратора ветрового потока.
Изменением угла установки вертикальных пластин концентратора ветрового потока (Фиг. 2, обозначение 3) можно регулировать конфигурацию ветрового потока в рабочей области концентратора ветрового потока для более тонкой и эффективной настройки под конкретный вертикально-осевой ротор, установленный внутри рабочей области концентратора ветрового потока.
Внутри концентратора ветрового потока располагается вертикально-осевой ротор, состоящий из вертикально расположенного вала вертикально-осевого ротора с тремя или более консолями (Фиг. 2, обозначение 2), установленными перпендикулярно оси вала вертикально-осевого ротора. На консолях параллельно оси вала вертикально-осевого ротора располагаются три или более лопастей парусного типа (Фиг. 2, обозначение 4), каждая из которых представляет собой часть вертикального цилиндра, ограниченную углом менее 180°, с вершиной в центре вертикальной оси цилиндра. Лопасти парусного типа размещены на консолях с общим для всех лопастей постоянным углом атаки, составляющим от 32 до 60 градусов между хордой сегмента цилиндра лопасти и консолью, на которой она установлена, в точке их пересечения; отличающийся тем, что устанавливается внутри концентратора ветрового потока, внутренняя часть которого разделяется на рабочую зону и нерабочую зону.
Такое сочетание вертикальных пластин концентратора ветрового потока (Фиг. 2, обозначение 3) и вала вертикально-осевого ротора с консолями (Фиг. 2, обозначение 2), на которых укреплены лопасти парусного типа (Фиг. 2, обозначение 4), имеет то преимущество, что лопасти парусного типа (Фиг. 2, обозначение 4), каждая из которых представляет собой часть цилиндра, ограниченную углом менее 180°, с вершиной в центре вертикальной оси цилиндра, размещенные на консолях с общим для всех лопастей постоянным углом атаки, составляющим от 32 до 60 градусов между хордой сегмента цилиндра лопасти и консолью, под воздействием ветрового потока в рабочей зоне отнимают у ветрового потока максимальное количество кинетической энергии, а при прохождении через нерабочую зону не только не встречают лобового сопротивления ветрового потока, но и в соответствии с законом Бернулли получают дополнительный импульс за счет подъемной силы, возникающей с тыльной стороны лопасти парусного типа, которая движется через нерабочую зону.
Таким образом предлагаемая полезная модель позволяет с максимальной эффективностью использовать ветровой поток с любых направлений без дополнительных приспособлений.
Работе фотоветровой автономной электростанции не могут препятствовать осадки в виде дождя, снега, льда, т.к. конструкция фотоветровой автономной электростанции не содержит горизонтальных поверхностей, на которых способны накапливаться осадки и тем самым блокировать вращение вертикально-осевого ротора.
Вал вертикально-осевого ротора с консолями (Фиг. 2, обозначение 2), на которых укреплены лопасти парусного типа (Фиг. 2, обозначение 4) располагается внутри концентратора ветрового потока так, что верхний и нижний концы вала вертикально-осевого ротора с консолями, на которых укреплены лопасти парусного типа, опираются на 2 (два) магнитных подвеса: по одному магнитному подвесу на верхней оконечности вала вертикально-осевого ротора и на нижней оконечности вала вертикально-осевого ротора. Каждый из магнитных подвесов представляет собой 2 (два) взаимно отталкивающихся постоянных магнита, выполненных в форме дисков с отверстием в центре каждого диска. Отверстия в центре каждого диска служат для крепления дисков постоянных магнитов к оси вала вертикально-осевого ротора.
Верхний магнитный подвес крепится к верхнему концу вала вертикально-осевого ротора в месте схождения жестких балок радиусов верхнего кольца концентратора ветрового потока. Нижний магнитный подвес крепится к нижнему концу вала вертикально-осевого ротора в месте схождения жестких балок радиусов нижнего кольца концентратора ветрового потока.
Вертикально-осевой вал ротора проходит через отверстие в центре нижнего магнитного подвеса и с помощью муфты жестко соединяется с входным валом мультипликатора. Выходной вал мультипликатора с помощью муфты жестко соединяется с валом асинхронного электрогенератора.
Магнитные подвесы обеспечивают отказ от использования традиционных подшипников (шариковых или роликовых), что ведет к увеличению срока службы вращающихся частей ротора фотоветровой автономной электростанции; обеспечивают уменьшение шума во время вращения вертикально-осевого ротора фотоветровой автономной электростанции; обеспечивают уменьшение потерь крутящего момента при передаче крутящего момента с вала вертикально-осевого ротора на вал мультипликатора; обеспечивают значительное снижение расходов на обслуживание вращающихся частей ротора (смазка).
Сила отталкивания постоянных магнитов в магнитных подвесах подбирается в соответствии с весом вертикально-осевого ротора фотоветровой автономной электростанции таким образом, чтобы обеспечить постоянную левитацию вертикально-осевого ротора фотоветровой автономной электростанции и исключить влияние силы трения на производительность вертикально-осевого ротора фотоветровой автономной электростанции.
Кинетическая энергия ветрового потока преобразуется в электрическую энергию посредством асинхронного генератора на постоянных магнитах.
Вал асинхронного генератора на постоянных магнитах соединяется с валом вертикально-осевого ротора фотоветровой автономной электростанции через мультипликатор, передающий крутящий момент с вала вертикально-осевого ротора на вал асинхронного генератора на постоянных магнитах. Характеристики мультипликатора подбираются в соответствии с характеристиками асинхронного генератора, в соответствии с характеристиками вертикально-осевого ротора, в соответствии с показателями ветровой обстановки в месте функционирования фотоветровой автономной электростанции.
Из всего перечисленного следует, что результативность работы предлагаемой полезной модели значительно выше, чем использование традиционных ветровых электрогенераторов, т.е. достигается основной полезный технический результат: уменьшаются потери при выработке электроэнергии за счет увеличения коэффициента использования энергии ветрового потока.
Использование солнечного света
Фотоэлектрические преобразователи утилизируют прямой и отраженный солнечный свет независимо от наличия пригодного для утилизации ветра. Для повышения эффективности работы фотоэлектрических преобразователей и снижения конечной себестоимости электростанции фотоэлектрические преобразователи размещены на одной стороне каждой из плоских направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока, а оборотные стороны направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока изготавливаются из светоотражающих материалов. Прямой солнечный свет преобразуется при его попадании непосредственно на фотоэлектрические преобразователи. Отраженный солнечный свет преобразуется после его отражения от оборотных сторон направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока, изготавливаемых из светоотражающих материалов.
Схематическое изображение размещения фотоэлектрических преобразователей на плоских направляющих поверхностей вертикальных пластин концентратора ветрового потока представлено на Фиг. 3.
Вертикально-осевой ротор, установленный внутри концентратора ветрового потока, соединенный с валом асинхронного электрогенератора на постоянных магнитах через мультипликатор и комплект фотоэлектрических преобразователей являются источниками выработки электроэнергии и работают независимо друг от друга, отдавая выработанную энергию в банк аккумуляторов через гибридный (солнечно-ветровой) контроллер заряда аккумуляторов. Параметры характеристик гибридного (солнечно-ветрового) контроллера заряда аккумуляторов подбираются в соответствии, во-первых, с совокупной мощностью ветровой и солнечной генерации; во-вторых, с емкостью банка аккумуляторов.
Функции гибридного (солнечно-ветрового) контроллера заряда аккумуляторов заключаются в том, чтобы:
- преобразовать трехфазный электрический ток, поступающий от электрогенератора, соединенного через мультипликатор с вертикально-осевым ротором, в постоянный ток с заданным напряжением, пригодным для зарядки банка аккумуляторов;
- преобразовать постоянный ток, поступающий от комплекта фотоэлектрических преобразователей, в постоянный ток с заданным напряжением, пригодным для зарядки банка аккумуляторов;
- синхронизировать параметры постоянного электрического тока, преобразованного из трехфазного электрического тока, поступающего от электрогенератора, соединенного посредством мультипликатора с вертикально-осевым ротором, и параметры постоянного тока, поступающего от комплекта фотоэлектрических преобразователей;
- контролировать уровень зарядки аккумуляторных батарей, не допуская их критического перезаряда и не допуская их критического переразряда;
- в случае выработки фотоветровой автономной электростанцией избыточного количества электроэнергии, утилизировать избыточное количество электроэнергии.
Инвертор предназначен для того, чтобы потребитель использовал накопленную в банке аккумуляторов электроэнергию в соответствии с параметрами тех приборов, которые потребляют эту электроэнергию. Инвертор по желанию потребителя подбирается таким образом, чтобы преобразовывать постоянный ток, поступающий от аккумуляторов, в переменный однофазный или в переменный трехфазный ток с частотой, применяемой в приборах потребителя: 50 Герц или 60 Герц.
Параметры банка аккумуляторов подбираются таким образом, чтобы обеспечить потребителю необходимый запас электроэнергии в течение времени, желательного для потребителя. Кроме того, параметры банка аккумуляторов подбираются в соответствии с техническими параметрами контроллера заряда аккумуляторов и в соответствии с техническими параметрами инвертора.
Осуществление полезной модели
Фотоветровая автономная электростанция предназначена для использования в условиях дефицита электроэнергии в таких местах, как: объекты спецназначения, требующие автономного энергообеспечения (маяки и радиомаяки; пограничные заставы и пограничные посты; стационарные базы и мобильные группы МЧС; автоматизированные радиолокационные посты; автоматизированные аэронавигационные посты; опорные пункты навигационных спутниковых систем; автоматизированные метеорологические посты); энергообеспечение объектов жилищно-коммунального хозяйства; энергообеспечение сельскохозяйственных объектов; энергообеспечение удаленных туристических, рыболовных и охотничьих баз; энергообеспечение заповедников, заказников и национальных парков; энергообеспечение систем сотовой связи и интернета.