ТУРБИНА ВЕТРОГЕНЕРАТОРА И ВЕТРОСТАНЦИЯ НА ЕЕ ОСНОВЕ
WINDMILL TURBINE AND WIND FARM BASED THEREON

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к ветрогенераторам, а именно, к турбине ветрогенератора с вертикально-осевым ротором и ветростанции на ее основе.
Уровень техники
Ветрогенераторы, также называемые ветроэлектрическими установками, представляют собой устройства для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора турбины с последующим её преобразованием в электрическую энергию. По типу турбин ветрогенераторы разделяются на установки с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Наиболее распространенными являются ветровые турбины с горизонтальной осью вращения, их КПД на практике достигает 40%, однако они обладают рядом принципиальных недостатков. Мощность ветрогенератора зависит от мощности воздушного потока, определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью, поэтому размеры роторов у промышленных генераторов такого типа весьма велики. Такие ветрогенераторы громоздки, дороги в производстве, монтаже и эксплуатации. Работа ветровых турбин с роторами больших размеров (от 1 метра и более) приводит к появлению характерного шума и вибраций, вызывающих существенный дискомфорт у человека, из-за чего их эксплуатация в заселенной и особенно городской зоне ограничена или запрещена. Проблемными вопросами эксплуатации таких турбин также является обледенении лопастей роторов и необходимость их торможения при чрезмерном увеличении ветровой нагрузки. Кроме того, роторы турбин такого типа часто служат причиной гибели птиц.
Части указанных недостатков лишены ветровые турбины с вертикальной осью вращения, которые могут быть основаны на достаточно компактных вертикально-осевых роторах, работа которых не приводит к появлению воспринимаемых человеком шумов и вибрации. Такие ветрогенераторы могут устанавливаться в условиях города, в частности, на крышах высотных зданий. Для повышения мощности, компактные вертикально-осевые роторы могут объединяться в ветростанции.
Так, известен ветряной двигатель (RU2294452 C1, опубл.27.02.2007), состоящий из установленных одна над другой секций, каждая из которых содержит полый цилиндрический ротор с вертикальными лопастями, размещенный в направляющем воздушный поток статоре. Статор в свою очередь содержит вертикальные лопатки, установленные между круглыми жесткими основаниями. Лопасти ротора и лопатки статора представляют собой части цилиндрических поверхностей, расположенных выпуклостью по ходу вращения ротора. Радиус кривизны лопаток статора больше, чем радиус кривизны лопастей ротора, а количество лопаток каждой секции статора в два раза больше количества лопастей каждого цилиндрического элемента ротора. Описанный статор создает для ротора направленный закручивающийся воздушный поток, оптимизируя его условия работы и повышая эффективность ветряного двигателя. Секционная конструкция позволяет масштабировать размеры ветрогенератора по высоте, увеличивая ометаемую площадь (роторов во всех секциях), за счет чего обеспечивается повышение мощности, упрощение технического обслуживания и монтажа генератора.
Тем не менее, конструкция турбины на основе статора с неподвижными лопатками не представляется оптимальной с точки зрения эффективности. В известном решении предусмотрено только масштабирование размеров ветрогенератора по высоте. Такой ротор остается потенциально опасным для птиц. Не решенным является и вопрос защиты ротора от чрезмерной ветровой нагрузки. Тем не менее, указанный ветряной двигатель является наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и выбран в качестве его прототипа.
В современном обществе имеется постоянная потребность в разработке энергетических систем на основе источников возобновляемой энергии, в том числе, ветрогенераторов. Высокоактуальными являются задачи повышения эффективности ветрогенераторов и ветростанций, а также создание ветрогенераторов, которые могут размещаться в городской среде, например, на высотных зданиях. На решение этих задач направлено настоящее изобретение.
Раскрытие изобретения
Согласно настоящему изобретению предложена турбина ветрогенератора с вертикально-осевым ротором, отличающаяся тем, что ротор установлен в неподвижном цилиндрическом корпусе, снабженном открываемыми наружу шторками, и состоит из вращающегося сердечника, содержащего закрепленные между двух круглых оснований лопатки сердечника, образующие ротор Угринского, и кольцевой крыльчатки, выполненной с возможностью независимого вращения вокруг сердечника и содержащей закрепленные между двух кольцеобразных оснований лопатки крыльчатки, причем лопатки крыльчатки выполнены с возможностью образовывать в поперечном сечении ротора продолжение лопаток сердечника с формированием общих межлопаточных каналов, сужающихся к центру ротора.
Описанная турбина может быть достаточно компактной, порядка 500-1000 мм в высоту и 300-800 мм в ширину, и отличается высокой эффективностью работы, в особенности, при малых скоростях ветрового потока. Независимо вращающаяся вокруг сердечника крыльчатка снижает обратный вращательный момент сердечника и повышает мощность турбины, по аналогии со статором в прототипе. Дополнительное повышение мощности турбины достигается за счет выполнения ротора из двух согласованных частей: лопатки крыльчатки образуют продолжение лопаток сердечника в поперечном сечении ротора, формируя общие межлопаточные каналы. Таким образом, крыльчатка и сердечник имеют одинаковое количество лопаток. Сужение межлопаточных каналов к центру ротора обеспечивает повышение скорости входящего воздушного потока, повышая эффективность и обеспечивая работоспособность турбины даже при малых скоростях воздушного потока. При этом крыльчатка начинает движение первой, при малых скоростях ветрового потока, инициируя, таким образом, и более раннее начало вращения сердечника.
Наличие защитного корпуса с закрывающимися шторками обеспечивает защиту ротора турбины и безопасность птиц. Кроме того, обеспечивается возможность создания масштабируемых ветростанций, объединяющих множество таких турбин в единый генерирующий комплекс. Таким образом, на основе предложенной турбины можно создать ветрогенераторы как для промышленного, коммерческого, так и для бытового, частного использования.
Согласно варианту осуществления, лопатки сердечника и крыльчатки турбины ветрогенератора установлены с наклоном относительно вертикальной оси ротора. В частности, лопатки сердечника могут иметь наклон, противоположный наклону лопаток крыльчатки относительно вертикальной оси ротора. Таким образом, обеспечивается непрерывное разбиение воздушного потока на разные межлопаточные каналы внутри ротора для дополнительного повышения эффективности работы турбины, в особенности, при малых скоростях ветрового потока.
Согласно варианту осуществления, шторки корпуса турбины ветрогенератора выполнены с возможностью образовывать, в открытом состоянии, продолжение лопаток крыльчатки в поперечном сечении ротора. В этом случае уже шторки корпуса играют роль лопаток статора прототипа, оптимизируя условия работы и повышая эффективность составного ротора. Также шторки могут быть снабжены горизонтальными ограничителями входящего потока воздуха, отходящими под прямым углом от внутренней поверхности на верхней и нижней гранях каждой шторки. Таким образом, все компоненты ротора в совокупности выполнены с возможностью образования общих межлопаточных каналов, сужающихся от краев шторок корпуса с ограничителями до центральной оси ротора.
Согласно варианту осуществления лопатки сердечника турбины образуют множество сужающихся к центру межлопаточных каналов, один из которых является сквозным и образует ротор Угринского. Возможны и варианты осуществления, в которых лопатки сердечника образуют более одного сквозного межлопаточного канала с геометрией ротора Угринского, например, два, три или четыре таких канала. Согласно другому варианту осуществления основания сердечника и крыльчатки турбины выполнены в виде клинообразных поверхностей, обеспечивающих сужение межлопаточных каналов по вертикали по направлению к центральной оси ротора. Таким образом, имеет место сужение межлопаточных каналов, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении для ускорения воздушного потока внутри ротора.
Согласно следующему варианту осуществления турбина ветрогенератора содержит систему управления шторками корпуса, выполненную с возможностью открывания и закрывания шторок в автоматическом режиме, в зависимости от ветровой нагрузки, которая может измеряться соответствующим датчиком или датчиками внутри и/или снаружи корпуса ротора. Таким образом, обеспечивается по существу постоянная скорость входящего воздушного потока для стабильной работы ротора.
Согласно другому варианту осуществления турбина ветрогенератора содержит систему обогрева внутреннего пространства и/или внешней поверхности корпуса. Кроме того, корпус турбины может быть снабжен системой отвода конденсата. Таким образом, обеспечивается возможность эксплуатации турбины по существу в любых погодных и климатических условиях.
Согласно следующему варианту осуществления турбина ветрогенератора содержит два дисковых генератора, размещенных в нижней и верхней части корпуса турбины и подключенных для генерации электроэнергии к основаниям сердечника и/или крыльчатки. Например, дисковый генератор в нижней части корпуса турбины может быть подключен к основанию сердечника, а дисковый генератор в верхней части корпуса турбины может быть подключен к основанию крыльчатки.
В другом аспекте изобретения предложена ветростанция, содержащая множество описанных выше турбин ветрогенератора, установленных вертикально друг на друга с образованием генерирующей колонны, турбины в составе которой функционируют независимо друг от друга. В основании указанной колонны может быть предусмотрен накопитель энергии, предпочтительно, выполненный с возможностью выдачи энергии потребителям. Такая ветростанция будет иметь все описанные выше преимущества турбин ветрогенератора. Также, ветростанция такой компоновки является легко масштабируемой, отличается простотой монтажа и обслуживания. Действительно, в зависимости от решаемой задачи, ветростанция с равным успехом может быть реализована в виде компактной колонны из нескольких ячеек-турбин, или же в виде большой, отдельностоящей колонны из множества ячеек-турбин. Множество таких колонн-ветростанций можно объединить в генерирующий массив по существу любой площади и мощности.
Наконец, согласно изобретению предложена ветростанция, содержащая множество описанных выше турбин ветрогенератора, установленных на фасаде высотного здания с образованием генерирующего комплекса для питания здания и/или внешних потребителей, турбины в составе которого функционируют независимо друг от друга. Предпочтительно, турбины такой ветростанции равномерно распределены по фасаду здания, начиная с высоты примерно в 30 метров от основания здания, где имеет место высокая и по существу постоянная ветровая нагрузка. Такая ветростанция сохраняет все описанные выше преимущества ветростанции и турбин ветрогенератора. Кроме того, благодаря компактности турбин, применение таких ветростанций на высотных зданиях не требует больших затрат. Компактные турбины могут быть размещены на фасаде без существенного ухудшения внешнего вида здания, скрыты или же встроены в дизайн здания. При этом высотное здание становится мощной электростанцией, способной не только обеспечить собственные потребности в электроэнергии, но и выдавать электроэнергию внешним потребителям, например, в ночное время, когда потребление электроэнергии внутри здания ограничено.
Достигаемый технический результат состоит в повышении эффективности ветрогенераторов и ветростанций на их основе. Кроме того, изобретение обеспечивает возможность размещения ветростанций в городской среде, повышает стабильность работы и обеспечивает автоматизированную защиту роторов ветрогенераторов от чрезмерной ветровой нагрузки, снижает опасность ветростанций для птиц.
Краткое описание чертежей
Ниже представлено описание некоторых вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых представлены:
Фиг.1 – общий вид турбины ветрогенератора согласно изобретению;
Фиг.2 – вид турбины ветрогенератора с фиг.1 без трех створок корпуса;
Фиг.3 – горизонтальное сечение турбины с фиг.1;
Фиг.4 – вертикальное сечение турбины с фиг.1;
Фиг.5 – общий вид ветростанции в виде колонны из турбин ветрогенератора согласно изобретению;
Фиг.6 – общий вид ветростанции из турбин ветрогенератора согласно изобретению, установленных на фасаде высотного здания.
Осуществление изобретения
Общий вид турбины 1 ветрогенератора согласно изобретению представлен на фиг.1. Турбина 1 ветрогенератора имеет вертикально-осевой ротор 2, установленный в цилиндрическом корпусе 3, снабженном открываемыми наружу шторками 4. Как можно видеть на фиг.2-4, ротор 2 состоит из вращающихся сердечника 5 и кольцевой крыльчатки 6. Сердечник 5 содержит установленные между двух оснований 7 лопатки 8 сердечника. Лопатки 8 сердечника образуют ротор Угринского - центральный сквозной межлопаточный канал 9, стенки которого имеют профиль в виде буквы S, и ширина канала в центральной точке составляет порядка 2/3 от ширины устья канала, как показано на фиг.3. Крыльчатка 6 в свою очередь содержит установленные между двух кольцеобразных оснований 10 лопатки 11 крыльчатки и выполнена с возможностью независимого вращения вокруг сердечника 5.
Как можно видеть на фиг.3, иллюстрирующей соответствующее статическое положение составного ротора 2, лопатки 11 крыльчатки образуют в поперечном сечении ротора 2 продолжение лопаток 8 сердечника. Таким образом, лопатки сердечника и крыльчатки в совокупности формируют множество общих межлопаточных каналов, сужающихся к центру ротора 2, причем один из этих каналов – канал 9, является сквозным и имеет геометрию ротора системы Угринского.
Лопатки 8 сердечника и лопатки 11 крыльчатки могут быть установлены с наклоном относительно вертикальной оси ротора 2 (не показано на чертежах). Более того, в одном из вариантов осуществления турбины 1 лопатки 8 сердечника могут иметь наклон, противоположный наклону лопаток 11 крыльчатки относительно вертикальной оси ротора 2.
В открытом состоянии шторки 4 корпуса, как показано на фиг.3, также образуют продолжение лопаток 11 крыльчатки, и соответственно, лопаток 8 сердечника, в поперечном сечении ротора 2. Дополнительно, шторки 4 могут быть снабжены горизонтальными ограничителями 12 входящего потока воздуха, отходящими под прямым углом от внутренней поверхности на верхней и нижней гранях каждой шторки 4, как показано на фиг.1-3. Таким образом, все компоненты ротора 2 в совокупности выполнены с возможностью образования общих межлопаточных каналов, сужающихся от краев шторок 4 корпуса до центральной оси ротора 2.
Как показано на фиг.4, основания 7 сердечника и основания 10 крыльчатки выполнены в виде клинообразных поверхностей, обеспечивающих сужение межлопаточных каналов по вертикали по направлению к центральной оси ротора 2.
Компоненты турбины 1 ветрогенератора согласно изобретению, в частности, сердечник 5 и крыльчатка 6 могут изготавливаться из различных материалов, в зависимости от области применения турбины, в том числе из металла, пластика и/или резины, с помощью любых известных способов изготовления, включая ковку, штамповку, литье, механообработку и 3D (трехмерную) печать.
В предпочтительном варианте осуществления турбина 1 ветрогенератора содержит систему управления шторками корпуса, выполненную с возможностью открывания и закрывания шторок 4 корпуса в автоматическом режиме, в зависимости от ветровой нагрузки, которая может измеряться соответствующим датчиком или датчиками, установленными внутри и/или снаружи корпуса 3 ротора (не показаны на чертежах). В частности, ветровая нагрузка может измеряться с помощью датчика или датчиков давления, или же оцениваться на основании показаний тахометра или тахометров, измеряющих скорость вращения сердечника 5 и/или крыльчатки 6.
Открывание и закрывание шторок 4 корпуса осуществляется регулируемым образом, так что шторки 4 могут фиксироваться в любом промежуточном положении, между крайними положениями полного закрытия и полного открытия. Таким образом, система управления шторками корпуса может регулировать поток воздуха, обеспечивая по существу равномерную скорость входящего воздушного потока для стабильной работы ротора 2, а также автоматическую защиту ротора 2 от чрезмерной ветровой нагрузки. Система управления шторками корпуса может быть реализована на основании соответствующим образом запрограммированного процессора и исполнительных элементов, любыми известными специалистам в данной области техники способами. Наличие системы управления в каждой отдельной турбине 1 ветрогенератора обеспечивает возможность независимой работы турбины, в том числе, ее независимое функционирование в составе ветростанции.
Кроме того, турбина 1 ветрогенератора может содержать систему обогрева внутреннего пространства и/или внешней поверхности корпуса 3. Корпус 3 турбины также может быть снабжен системой отвода конденсата. Система обогрева может быть реализована на основе электрических нагревательных элементов, предпочтительно, питаемых электроэнергией, генерируемой самой турбиной 1. Система отвода конденсата может представлять собой соответствующую систему каналов для отведения влаги из корпуса 3. Указанные системы обеспечивают возможность эксплуатации турбины 1 по существу в любых погодных и климатических условиях.
Система обогрева может функционировать взаимосвязанно с системой управления шторками корпуса турбины 1 ветрогенератора, например, под управлением общего процессора. В частности, в случае обледенения лопаток ротора 2 в экстремальных погодных условиях, когда система обогрева не может обеспечить достаточный прогрев турбины 1 ветрогенератора в нормальном режиме работы, система управления шторками корпуса может перейти на режим работы с периодическим закрытием шторок 4 для прогрева ротора 2 системой обогрева.
В предпочтительном варианте осуществления турбина 1 ветрогенератора содержит два дисковых генератора 13 и 14, размещенных в нижней (генератор 13) и верхней (генератор 14) части корпуса турбины и подключенных для генерации электроэнергии к основаниям 7 сердечника и/или основаниям 10 крыльчатки. Например, дисковый генератор 13 в нижней части корпуса 3 турбины может быть подключен к нижнему основанию 7 сердечника, а дисковый генератор 14 в верхней части корпуса 3 турбины может быть подключен к верхнему основанию 10 крыльчатки, как показано на фиг.4.
Кроме того, в предпочтительном варианте турбина 1 ветрогенератора оборудована встроенным накопителем энергии для обеспечения питания элементов турбины 1 электроэнергией, вырабатываемой самой турбиной 1. Накопитель энергии может быть реализован на базе ионистора (суперконденсатора) и располагаться в отдельном отсеке, расположенном над корпусом 3 турбины 1 ветрогенератора (не показан на чертежах), вместе с системой управления турбиной 1. Однако изобретение не ограничено в этом отношении и накопитель энергии может быть реализован на базе аккумуляторных элементов других типов, расположенных внутри корпуса 3 турбины или вне его.
Во время работы турбины 1 ветрогенератора согласно изобретению крыльчатка 6 начинает вращаться первой, при малой скорости ветрового потока, всего порядка 1 м/сек, инициируя вращение сердечника 5. В начальной стадии скорости вращения крыльчатки 6 и сердечника 5 составляют порядка 20-40 оборотов/мин. В зависимости от ветровых и других условий работы турбины 1 крыльчатка 6 и сердечник 5 могут вращаться с одинаковыми, близкими друг другу или существенно отличающимися скоростями. При увеличении ветровой нагрузки скорости вращения крыльчатки 6 и сердечника 5 возрастают. При достижении предельной скорости вращения компонентов ротора 2, порядка 700-800 оборотов/мин, система управления шторками корпуса ограничивает ветровой поток посредством регулировки степень открытия шторок 4 корпуса для стабилизации работы ротора 2 и защиты его от чрезмерных нагрузок. Предельная скорость вращения компонентов ротора 2 выбирается исходя из параметров турбины 1 ветрогенератора, в частности, габаритов и веса крыльчатки 6 и сердечника 5, для повешения надежности и увеличения срока службы турбины 1.
Как показано на фиг.5, ветростанция согласно одному из вариантов изобретения содержит множество турбин 1 ветрогенератора, установленных вертикально друг на друга с образованием генерирующей колонны 15, турбины в составе которой функциони руют независимо друг от друга. В основании генерирующей колонны 15 предусмотрен накопитель 16 энергии, предпочтительно, выполненный с возможностью выдачи энергии потребителям. Отметим, что на фиг.5 показан лишь примерный вид ветростанции в виде колонны 15 с вертикально расположенными друг над другом ячейками, содержащими турбины 1 ветрогенератора. На практике генерирующая колонна 15 ветростанции согласно изобретению может быть реализована и в другом виде. Ветростанция согласно изобретению отличается легкостью масштабирования, а также простотой монтажа и обслуживания. Действительно, поскольку турбины 1 в составе генерирующей колонны 15 функционируют независимо друг от друга, обслуживание одной турбины 1, включая ее замену в случае выхода из строя, можно проводить без остановки работы ветростанции. Ветростанция с равным успехом может быть реализована в виде компактной колонны из нескольких ячеек-турбин, например, для установки на крыше высотного здания, или же в виде большой, отдельностоящей колонны из множества ячеек-турбин, как показано на фиг.5. Множество таких колонн-ветростанций 15 можно объединить в генерирующий массив по существу любой площади и мощности.
На фиг.6 показан общий вид ветростанции согласно другому варианту изобретения, состоящей из множества турбин 1 ветрогенератора, установленных на фасаде высотного здания с образованием генерирующего комплекса для питания здания и/или внешних потребителей. Турбины 1 в составе такого комплекса также функционируют независимо друг от друга. Предпочтительно, турбины 1 такой ветростанции равномерно распределены по фасаду здания, начиная с высоты примерно в 30 метров от основания здания, где имеет место высокая и по существу постоянная ветровая нагрузка. Благодаря компактности турбин 1, применение таких ветростанций на высотных зданиях не требует больших затрат. Компактные турбины 1 могут быть размещены на фасаде без существенного ухудшения внешнего вида здания, скрыты или же встроены в дизайн здания. При этом высотное здание становится мощной электростанцией, способной не только обеспечить собственные потребности в электроэнергии, но и выдавать электроэнергию внешним потребителям, например, в ночное время, когда потребление электроэнергии внутри здания ограничено.
Конструкция турбин ветрогенератора согласно изобретению позволяет создавать высокоэффективные ветростанции самых разных видов, не ограничиваясь описанными выше вариантами реализации. Например, ветростанция может быть реализована на основе столба (осветительного или специально установленного), в верхней части которого может быть установлена одна или несколько турбин 1 ветрогенератора, а в основании предусмотрен накопитель энергии с устройством выдачи энергии потребителям. Такой вариант осуществления ветростанции может с успехом применяться для подзарядки электрических транспортных средств в городской среде или на автомагистралях. В другом варианте осуществления, турбинами ветрогенератора согласно изобретению могут быть оснащены вышки сотовой связи, что позволит эффективно и быстро развертывать сотовую сеть связи на труднодоступных и малоосвоенных территориях, вне зависимости от наличия в данной местности электропитания.
Кроме того, изобретение обеспечивает возможность избежать утилизации высотных труб и колонн устаревших котельных, ТЭЦ и других промышленных сооружений, преобразовав их в экологически чистые ветростанции без существенных затрат.
Необходимо понимать, что варианты осуществления, описанные выше для раскрытия и пояснения сущности изобретения, ни в коей мере не ограничивают объем правовой защиты, определяемый исключительно формулой изобретения.