ВЕРТИКАЛЬНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
VERTICAL WIND POWER PLANT

Изобретение относится к устройствам генерации электрической энергии, к ветровым электростанциям, и, в частности, к ветроэнергетическим установкам с вертикальной ориентацией корпуса в рабочем положении [F03D3/00, F03D5/02, F03D7/00, F03D9/00].
Из уровня техники известна ВЕТРОВАЯ ТУРБИНА И ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ [EP4067644 (A1) - 2022-10-05], в которой предложен ветродвигатель с ротором с вертикальной осью, установленным в неподвижном цилиндрическом корпусе, снабженном открывающимися наружу створками. Ротор состоит из вращающегося сердечника, состоящего из лопастей сердечника, закрепленных между двумя круговыми основаниями и образующих ротор Угринского, и кольцевой крыльчатки, выполненной с возможностью независимого вращения вокруг упомянутого сердечника. Рабочее колесо содержит рабочие лопатки, закрепленные между двумя кольцеобразными основаниями и образующие продолжение основных лопаток, при этом образованы общие межлопастные каналы, сужающиеся к центру ротора. Предлагаются также ветроэнергетические установки на основе описанных выше ветроустановок, причем указанные турбины устанавливаются вертикально одна над другой с образованием генерирующей башни или устанавливаются на фасаде высотного здания. Технический результат заключается, в частности, в повышении КПД ветроустановки и возможности включения ветряных электростанций в городскую среду. Недостатком данного аналога является невозможность использования ветровых колебаний всех возможных диапазонов, поскольку используемые турбины ориентированы только на определенный диапазон.
Также из уровня техники известна СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЭНЕРГИЕЙ ВЕТРА [TW202035857 (A) - 2020-10-01], содержащая множество ветряных турбин типа вертикальной оси, включающих вертикальную ось вращения, к которой присоединена, по меньшей мере, одна лопасть, и вокруг оси вращения которой, по меньшей мере, одна лопасть расположена для вращения во время использования, при этом ветряные турбины механически соединены друг с другом таким образом, что способ, которым каждая вторая ветряная турбина выполнена с возможностью вращения в первом направлении вращения, и что любая другая ветряная турбина системы выполнена с возможностью вращения во втором направлении вращения, которое противоположно первому направлению вращения. Недостатком данного аналога является невозможность использования ветровых колебаний всех возможных диапазонов, поскольку используемые турбины имеют определенные геометрические размеры и ориентированы только на определенный диапазон ветровых колебаний.
Наиболее близким по технической сущности является ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЕТРА И СВЕТА С ПОСТОЯННЫМ МАГНИТОМ [TW200815673 (A) - 2008-04-01]. Настоящее изобретение относится к интеллектуальному взаимодополняющему генератору ветра и света с постоянными магнитами, который включает в себя вращающуюся оболочку и неподвижное основание. Кольцевой ротор расположен под вращающейся оболочкой, а лопасти ветра расположены на внешней поверхности оболочки. На кольцевом роторе несколько магнитов из неодима, железа и бора расположены в последовательном порядке полюсов N и S. Статор сконфигурирован поверх неподвижного основания. На статоре основная обмотка, вторичная обмотка и обмотка возбуждения расположены в последовательном порядке. При отсутствии вращения на ветру ротор генератора вращается за счет подачи солнечной электроэнергии посредством программного управления на основную и вторичную обмотки. При низкой скорости вращения на ветру скорость вращения ротора генератора будет увеличиваться до нормального значения за счет дополнительного крутящего момента, создаваемого вторичной обмоткой. При сильном ветре возбуждающая обмотка будет возбуждаться, создавая тормозной момент для снижения скорости вращения генератора.
Основной технической проблемой прототипа является низкая эффективность генерации электроэнергии, из-за того, что сглаживание в разности скоростей ветра со стабилизацией режимов генерации электроэнергии происходит за счет солнечной энергии, из-за чего данная установка имеет низкую энергоэффективность в случае, когда одновременно скорость ветра является низкой и отсутствует солнечное освещение.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности генерации электроэнергии вертикальной ветроэнергетической установкой.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что вертикальная ветроэнергетическая установка характеризующаяся тем, что содержит большую лопастную турбину, размещаемую на оси вращения внутри корпуса цилиндрической формы, при этом на оси вращения смонтирован электрогенератор соединенный с контроллером ветроэнергетической установки, отличающаяся тем, что содержит малую лопастную турбину, размещенную на вертикальной оси вращения над большой лопастной турбиной, малая и большая лопастные турбины имеют постоянную геометрию, малая и большая турбины размещены внутри корпуса цилиндрической формы, в днище которого смонтирован дефлектор, верхняя часть установки выполнена в виде усеченного конуса сужающегося в верхней части, вал вертикальной оси вращения соединен с электрогенератором, который соединен с накопителем электрической энергии, дефлектор соединен с контроллером, который выполнен с возможностью подачи управляющих команд для открытия воздуховодов дефлектора, в случае когда частота вращения вала вертикальной оси вращения меньше частоты вращения требуемой для выработки номинальной мощности ветроэнергетической установки и подачи управляющих команд для прикрытия воздуховодов дефлектора, в случае когда частота вращения вала вертикальной оси вращения больше частоты вращения требуемой для выработки номинальной мощности ветроэнергетической установки.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 показана схема устройства установки.
На фиг. 2 показан общий вид установки.
Дополнительно представлены акт экспертного заключения и экспертное заключение по предлагаемой вертикальной ветроэнергетической установки (ВВЭУ).
На фигурах 1-2 обозначено: 1 - большая лопастная турбина, 2 - малая лопастная турбина, 3 - вертикальная ось вращения турбин, 4 - ветронаправляющий аппарат, 5 - нижняя крышка со встроенным дефлектором; 6 - верхняя часть установки; 7 - электрогенератор, 8 - накопитель электрической энергии, 9 - контроллер ветроэнергетической установки.
Осуществление изобретения
Вертикальная ветроэнергетическая установка (ВВЭУ) содержит большую лопастную турбину 1 и малую лопастную турбину 2, смонтированные на вертикальной оси вращения 3, при этом, малая лопастная турбина 2 располагается над большой лопастной турбиной 1. Обе турбины размещены внутри ветронаправляющего аппарата 4 выполненного в виде корпуса цилиндрической формы, в днище которого смонтирована нижняя крышка со встроенным дефлектором 5, в нижней части установки, на вертикальной оси вращения 3 смонтирован электрогенератор 7, скоммутированный с накопителем электрической энергии 8 и контроллером ветроэнергетической установки 9. Дефлектор выполнен с возможностью изменения интенсивности потока воздуха поступающего внутрь ветронаправляющего аппарата 4. Верхняя часть установки 6 выполнена в виде усеченного конуса, сужающегося в верхней части. Контроллер ветроэнергетической установки 9 также соединен с дефлектором на нижней крышке установки, с возможностью подачи управляющих команд для регулировки интенсивности потока воздуха, поступающего внутрь ветронаправляющего аппарата 4. Представленная ВВЭУ с вертикальной осью вращения турбин 3 включает большую лопастную турбину 1 и малую лопастную турбину 2, каждая из которых имеет постоянную геометрию. При этом ВВЭУ работает при переменной частоте вращения электрогенератора 7 на постоянных неодимовых магнитах и использует электрический преобразователь с регулятором мощности. Вертикальная ось вращения турбин 3 выполнена с валом ветротурбин на конце. Вал ветротурбин напрямую соединен с ротором синхронного электрогенератора 7, выполненного с возможностью возбуждения от постоянных магнитов. Обмотки электрогенератора 7 подключены к входу диодного выпрямительного моста, выход которого подключен к накопителю электрической энергии 8.
Изобретение используют следующим образом.
При работе ВВЭУ с изменением скорости воздушного потока изменяется напряжение на выходе электрогенератора 7 и выпрямителя соответственно.
В предлагаемой ВВЭУ реализована схема, где большая лопастная турбина 1, малая лопастная турбина 2, ветронаправляющий аппарат 4 выполняют роль диффузоров, при этом турбины предназначены для повышения коэффициента местного сопротивления, а верхняя часть установки 6 выполняет роль конфузора. При этом нижняя крышка со встроенными дефлекторами 5 под управлением контроллера ветроэнергетической установки 9 выполняет роль регулятора поступления ветра в установку. Подобная организация воздуховода внутри установки обеспечивает максимальный энергосъем энергии ветра.
При малых ветрах (0,5 -1,5 м/с) частота вращения вала вертикальной оси вращения турбин 3 составляет 40-80 об/мин, в таком случае, с электрогенератора вырабатывается выходное напряжение величиной 8 - 10 В, что ниже напряжения на накопителе электрической энергии 8 (6 В). В таком случае, ток в накопителе электрической энергии 8 перестает течь, что приводит к снижению электромагнитного момента электрогенератора 7 на валу вертикальной оси вращения турбин 3. Дефлектор, в таком случае, открыт полностью, а заявленная скорость вращения вала вертикальной оси вращения турбин 3 обеспечивается за счет раскручивания малой лопастной турбины 2.
При увеличении скорости ветра до 2-12 м/с частота вращения вала вертикальной оси вращения турбин 3 увеличивается до 100 - 800 об/мин, что приводит к увеличению выходного напряжения генератора 12 - 120 В и росту тока в накопителе электрической энергии 8 до 20 - 80 А. Увеличение тока приводит к увеличению электромагнитного момента электрогенератора 7 на валу ветротурбин, что не позволяет ему разгоняться выше определенной частоты вращения (800 об/мин), чем достигается стабилизация вырабатываемой номинальной мощности равной 9,6 кВт. При этом дефлектор обеспечивает поступление ветра в установку, достаточное для поддержания стабильного вырабатываемой номинальной мощности, соответствующей частоте вращения 800 об/мин. При этом контроллер ветроэнергетической установки 9 осуществляет управление дефлектором таким образом, чтобы частота вращения не превышала 800 об/мин. Заявленная скорость вращения вала вертикальной оси вращения турбин 3 обеспечивается, в основном, за счет раскручивания большой лопастной турбины 1. При малых скоростях ветра 0,5 -1,5 м/с обеспечивается поддержание работоспособного состояния ВВЭУ за счет работы малой лопастной турбины 2 и полностью открытого дефлектора, при этом генерации энергии не происходит, в таком случае, частота вращения вала вертикальной оси вращения турбин 3 составляет 40-80 об/мин. При повышении скорости ветра до 2-12 м/с не тратиться дополнительная энергия и время, для раскрутки вала вертикальной оси вращения турбин 3, при этом, частота вращения вала вертикальной оси вращения турбин 3 достигая 800 об/мин, выходит на стабильный режим вырабатываемой номинальной мощности равной 9,6 кВт. Поддержание заданного режима - обеспечивается за счет управления дефлектором. При раскрутке более 800 об/мин контроллером ветроэнергетической установки 9 подается команда на уменьшение интенсивности потока воздуха через дефлектор. При падении оборотов менее 800 об/мин контроллером ветроэнергетической установки 9 подается команда на открытие дефлектора, благодаря чему достигается увеличение интенсивности потока воздуха.
Исходя из вышесказанного, свойства ветротурбин и возможность регулировки интенсивности воздушного потока дефлектором, с формированием вихревого потока на малой ветротурбине посредствам большой ветротурбины, позволяет управлять мощностью ВВЭУ.
Использование вышеописанной конструкции ВВЭУ, позволяет осуществлять автоматическое изменение угла раскрытия воздуховодов дефлектора, приводящего к изменению аэродинамических характеристик ветротурбин в соответствие с изменяющейся скоростью ветра. Механизация представленной ВВЭУ с двумя ветротурбинами позволяет наиболее полно использовать энергию ветра в широком диапазоне рабочих скоростей.
Технический результат - повышение эффективности генерации электроэнергии вертикальной ветроэнергетической установкой, достигается за счет того, что ветроэнергетическая установка содержит малую 2 и большую 1 лопастные турбины, обеспечивающие функционирование установки при малой и большой скорости ветра. При этом, турбины имеют постоянную геометрию, что обеспечивает плавный переход в работе установки при переходе от малой к большим скоростям ветра. Большая лопастная турбина 1, малая лопастная турбина 2, ветронаправляющий аппарат 4 выполняют роль диффузоров, а верхняя часть установки 6 выполняет роль конфузора, что существенно повышает эффективность генерации электроэнергии за счет изменения интенсивности потока внутри установки. Также заявленный технический результат достигается благодаря наличию управляемого дефлектора под управлением контроллера ветроэнергетической установки 9, обеспечивающего максимизацию воздушных потоков при малых скоростях ветра и стабильную работы в режиме номинальной мощности - без перегрузок установки.
Заявителем в 2022 году было изготовлено заявленное устройство. Математическое моделирование его функционирования и опытная эксплуатация, подтвердила заявленный технический результат. Повышение эффективности генерации электроэнергии вертикальной ветроэнергетической установкой в диапазоне скоростей ветра на входе установки от 0,5 до 12 м/с составило в среднем 45%.
Пример реализации
При апробации заявленного решения, в контроллере ветроэнергетической установки 9 был встроен частотомер вала вертикальной оси вращения турбин. При этом в контроллер ветроэнергетической установки 9 был настроен таким образом, что при частоте вращения вала до 800 об/мин дефлектор находился в полностью открытом состоянии, обеспечивая беспрепятственное прохождение воздуха через воздуховод в корпус установки. При частоте вращения от 800 об/мин до 850 об/мин дефлектор изменял угол наклона дефлектора так, чтобы обеспечить прохождение воздушного потока с 50% интенсивностью, относительно входящего. При частоте вращения более 850 об/мин контроллер изменял угол наклона дефлектора так, чтобы обеспечить закрытие воздуховодов дефлектора. Вышеописанная настройка контролера является примером реализации и не ограничивает область действия патента при других настройках регулировки интенсивности потока воздуха на входе установки.
Дополнительно представлены акт экспертного заключения и экспертное заключение по предлагаемой ВЭУ. Приведенные документы подтверждают заявленную эффективность.