ГИРЛЯНДНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ
DAISY-CHAIN WIND-DRIVEN POWER PLANT

Гирляндная ветроэнергетическая станция относится к малой энергетике и служит для преобразования кинетической энергии воздушного потока гирляндой генераторов в электрическую энергию повышенной мощности независимо от скорости внешнего воздушного потока.
Авторам известны различные ветроэнергетические установки и станции, которые применяются для выработки энергии из ветра, самые первые были мельницы на козлах, так называемые немецкие мельницы, являлись до середины XVI века единственно известными. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным. В мельнице он ставил подвижной только крышу, и для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, необходимо было повернуть лишь крышу, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле.
Масса козловой мельницы была ограниченной в связи с тем, что ее приходилось поворачивать вручную. Поэтому была ограниченной и ее производительность.
В последнее время стали применяться ветрогенераторы.
Мощность ветрогенератора зависит от площади, заметаемой лопастями генератора. Например, турбины мощностью 3 МВт (V90) производства датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 метров, высоту башни 70 метров и диаметр лопастей 90 метров.
Компания Enercon построила прототип ветрогенератора Е-112 мощностью 4,5 МВт. До декабря 2004 года турбина оставалась крупнейшей в мире. В декабре 2004 года германская компания REpower Systems построила свой ветрогенератор мощностью 5,0 МВт. Диаметр ротора этой турбины составил 126 метров, вес гондолы 200 тонн, высота башни 120 м. В конце 2005 года Enercon увеличил мощность своего ветрогенератора до 6,0 МВт. Диаметр ротора достиг 114 метров, высота башни 124 метра.
Наибольшее распространение в мире получила конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения, хотя кое-где еще встречаются и двухлопастные. Были попытки построить ветрогенераторы так называемой ортогональной конструкции, то есть с вертикальным расположением оси вращения. Считается, что они имеют преимущество в виде очень малой скорости ветра, необходимой для начала работы ветрогенератора. Главной проблемой таких генераторов является механизм торможения. В силу этой и некоторых других технических проблем ортогональные ветроагрегаты не получили практического распространения в ветроэнергетике (см. Ветроэнергетика: факты, события и перспектива. Журнал Биоэнергетика №1 и №2, 2008 г.).
Авторам известны ветрогенераторы компании «Ветропарк Инжиниринг».
Это генераторы электрической энергии, предназначенные для превращения энергии ветра в электрическую. Сегодня ветрогенераторы - высокотехнологичное изделие мощностью от 5 кВт до 4500 кВт единичной мощности. Ветрогенераторы современных конструкций позволяют использовать экономически эффективно энергию даже самых слабых ветров - от 4 метров в секунду. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть», но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов любой мощности (см. информацию компании «Ветропарк Инжиниринг» сайт www.windpark.ru). К сожалению, все такие ветряные энергетические установки обладают экологическими и техническими недостатками.
Ветряные энергетические установки производят две разновидности шума:
- механический шум (шум от работы механических и электрических компонентов);
- аэродинамический шум (шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки).
В непосредственной близости от ветрогенератора у оси ветроколеса уровень шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ.
Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов 300 м.
Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приеме телесигнала. Чем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы.
Авторам известен патент РФ №2332584 «Ветроэнергетическая установка», которая содержит две идентичные лопасти, соединенные с горизонтальным валом ротора генератора через передний и задний подшипниковые узлы, расположенные на опорной дуге, опирающейся на ее подшипниковый узел, позволяющий установке вращаться вокруг своей оси. Срединные линии лопастей имеют вид линии, полученной в результате пересечения двух поверхностей второго порядка - сферы и седловой. Поперечное сечение лопастей имеет форму аэродинамического профиля крыла. К середине лопастей с внешней стороны закреплен концентратор потока, срединная поверхность которого выполнена в виде усеченного конуса с сечением аэродинамической обтекаемой формы, при этом меньший диаметр концентратора направлен навстречу набегающему ветровому потоку.
С внешней и внутренней стороны переднего подшипникового узла крепления лопастей дополнительно установлены соответственно конфузор и диффузор. Передний подшипниковый узел выполнен с полостью, обеспечивающей возможность прохождения ветрового потока внутрь сметаемого лопастями объема, при этом передний и задний подшипниковые узлы крепления лопастей соединены дополнительным валом. Изобретение обеспечивает повышение кпд установки, а также расширение диапазона использования и работы без деформации ротора на больших скоростях.
Однако такая ветроэнергетическая установка, которая имеет ротор и только несколько изменены его лопасти, обладает всеми присущими недостатками ранее приведенным ветрогенераторам - это повышенный шум, помехи, небольшой хоть и несколько повышенный кпд использования ветра, работает на ветрах от 2 м/с и более.
Авторам известен патент РФ №2330989 «Ветроэнергетическая установка», которая содержит преобразователь энергии, кольцевой понтон, поворотные лопасти, гибкие тяги. Кольцевой понтон размещен с возможностью вращения вокруг вертикальной оси. Поворотные лопасти выполнены с возможностью вращения вокруг вертикальных осей. Гибкие тяги связаны с кольцевым понтоном и со ступицей преобразователя энергии, установленной с возможностью вращения соосно с кольцевым понтоном. Преобразователь энергии установлен на поворотной платформе. Поворотная платформа оснащена лопастями, размещенными в воде с возможностью поворота вокруг вертикальных осей посредством приводов поворота, установленных на поворотной платформе. Поворотная платформа установлена на дополнительном понтоне, размещенном на водной поверхности так, что он окружен кольцевым понтоном. Дополнительный понтон снабжен вертикальным подводным рулем, выполненным в виде поворотной лопасти. Техническим результатом является достижение возможности работать на больших глубинах.
Однако такая ветроэнергетическая установка требует больших скоростей ветра, работает с платформой на воде, а ее кольцевой понтон служит для преобразования энергии ветра в движение понтона по воде. Применение такой ветроэнергетической установки ограничено.
Авторам известен патент РФ №2331791 «Ветроэнергетическая установка», которая содержит осесимметричный диффузорный ускоритель с лопатками направляющего аппарата, имеющими отклоняемый закрылок, радиально закрепленными неподвижно внутри ускорителя в зоне входа, центральное тело, состоящее из неподвижной носовой части с обтекателем, вращающейся средней части, выполненной в виде ротора электрогенератора с лопатками ветроколеса пропеллерного типа, и хвостовой части. Установка снабжена цилиндрическими обечайками, прикрепленными радиальными стойками к центральному телу с возможностью образования с ним кольцевого зазора, при этом лопатки ветроколеса и направляющего аппарата установлены на обечайках. Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента полезного действия ветроэнергетической установки и снижении ее шумности.
Такая ветроэнергетическая установка, которая имеет механическую систему передачи энергии ветра на генератор, требует повышенной скорости ветра, обладает всеми недостатками, присущими установкам с ветрогенератором, обладает повышенным шумом, создает помехи для телевизионных и других сигналов, ограничена в распространении. Для создания более мощной электрической системы требуется ветропарк таких установок.
Авторам известен патент РФ №2329398 «Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью», которая содержит опорную раму, основной вертикальный вал, установленный с возможностью вращения на опорной раме, крепежный элемент, закрепленный на основном вертикальном валу, опорную консоль, прикрепленную одним концом к крепежному элементу и проходящую по вертикали лопасть, установленную на другом конце опорной консоли, при этом лопасть имеет наклонную часть, образованную на верхнем и нижнем концах, наклоненную внутрь под углом от 30 до 45 градусов по отношению к вертикальной оси основного вала, причем ширина лопасти составляет от 45 до 55% от радиуса орбиты лопасти, когда лопасть вращается вокруг основного вертикального вала. Лопасть установлена вертикально во множестве уровней для образования множества лопастей, каждая из которых проходит в различных направлениях без перекрытия по вертикали таким образом, что они отстоят по существу на равные углы, если смотреть сверху. Установка может быть размещена в стальной мачте высоковольтной линии электропередачи. Установка обеспечивает увеличение ветроприемной площади с увеличенной ветроприемной энергией, низкую себестоимость и увеличение генерации общей энергии на конкретной площади.
Такая ветроэнергетическая установка, имея вертикально расположенную механическую трансмиссию, позволяет несколько увеличить начальную мощность установки, сократить занимаемую ветряную площадь, не обладает всеми ранее отмеченными недостатками, присущими механическим ветрогенераторам, повышенным шумом, помехами в воздушном пространстве, требует повышенной скорости ветра.
Авторам известен аналог, патент РФ №2334121 «Ветроэнергетическая установка», которая содержит кольцевой понтон-ротор, размещенный с возможностью вращения вокруг центральной неподвижной башни, поворотные лопасти, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей, гибкие тяги, связанные со ступицей преобразователя энергии, установленной с возможностью вращения вокруг продольной оси неподвижной башни.
Кольцевой понтон выполнен погруженным ниже уровня водной поверхности, поворотные лопасти размещены между жесткими кольцевыми дисками, нижний кольцевой диск скреплен с кольцевым понтоном посредством жестких стержневых элементов, а верхний - скреплен горизонтальными радиальными гибкими тягами с опорным кольцом, установленным на неподвижной башне с возможностью вращения вокруг ее продольной оси. Ступица преобразователя энергии скреплена горизонтальными гибкими тягами с нижним кольцевым диском, а верхний и нижний диски соединены стержневыми элементами, установленными с наклоном их верхних концов по направлению вращения понтона-ротора. Конструкция обеспечивает увеличение эффективности преобразования энергии при увеличении прочности и жесткости, а также уменьшении материалоемкости.
Однако такая ветроэнергетическая установка повышенной мощности имеет ротор-понтон, который вращается вокруг неподвижной башни, а сам кольцевой понтон погружен в воду, лопасти и ступица также вращаются вокруг неподвижной башни, а сама механическая трансмиссия с помощью гибких связей с опорным кольцом, которое установлено на неподвижной башне с возможностью вращения вокруг ее продольной оси и преобразователем ветровой энергии в электрическую.
Такая конструкция обладает весьма ограниченным применением, так как обязательным условием является наличие глубокой воды, что исключает ее применение в таежных отдаленных поселках и сельской местности.
Авторам известен патент РФ №2119092 «Ветроэнергетическая установка».
Установка состоит из двух несущих систем, вложенных одна в другую и вращающихся с различной угловой скоростью. Одна несущая система выполнена в виде понтона и оперта поверхностью, свободной от лопастей, на поверхность воды и содержит кольцевой рельс, а вторая с дополнительными лопастями оперта на этот рельс. Понтон и кольцо связаны гибкими тягами с кромками ступиц отдельных преобразователей энергии, установленных соосно внутри кольца понтона на стационарном основании. Тяги размещены по хордам соответственно понтона и кольца. Технический результат заключается в оптимизации условий взаимодействия ветрового потока с элементами устройства и увеличении кпд.
Следует отметить, что хотя ветроэнергетическая установка и обладает повышенной мощностью, но для ее работы необходима поверхность воды и кольцевой рельс, в такой установке, чтобы повысить кпд ее работы, необходимо оптимизировать условия взаимодействия ветрового потока с ее элементами, а это не всегда удается сделать и что почти не возможно при малом и большом ветре.
Авторам известен патент РФ №2187018 «Ветроэнергетическая установка», которая может быть использована для создания электроэнергии повышенной мощности. Технический результат, заключающийся в повышении эффективности работы ветроэнергетической установки и ее устойчивости, обеспечивается за счет того, что в ветроэнергетической установке, содержащей кольцевой понтон-ротор, ветровоспринимающие рабочие органы и гибкие элементы связи ротора со ступицами преобразователя энергии, согласно изобретению ветровоспринимающие органы размещены на кольцевой палубе, соосной и параллельной с кольцевым понтоном, размещенной над ним и скрепленной с кольцевым понтоном посредством стержневых, предпочтительно ферменных, элементов.
Эта ветроэнергетическая установка повышенной мощности располагается на кольцевой палубе, соосной с параллельным кольцевым понтоном и соединенной между собой ферменными элементами. Следовательно, такая ветроэнергетическая установка работает на открытой воде с судами и понтонами и не может применяться для работы в лесных поселках, где нет постоянно дующих ветров.
Авторам известен аналог, патент РФ №2387871 «Ветроэнергетическая установка», в которой в верхней части мачты установлен основной и вспомогательные ветроприемники в виде усеченного конуса, корпуса которых опираются на опорный подшипниковый узел и соединены с флюгером, а полая центральная часть основного и вспомогательных ветроприемников соединена с вертикальной трубой мачты, в которой установлен сетчатый сепаратор с возможностью его вращения от электрического привода, при этом воздушный поток имеет возможность дальнейшего прохождения по вертикальной трубе, а вода и снег имеют возможность отбрасываться в водоприемник, соединенный со сливной трубой, ниже сепаратора установлен раструб, отсасывающий воздух в первый всасывающе-нагнетательный насос высокого давления, выходная труба которого нагнетает под давлением воздух через нагревательный элемент вновь в вертикальную трубу, а ниже выходной трубы первого всасывающе-нагнетательного насоса установлен средний всасывающе-нагнетательный насос высокого давления с отсасывающим воздух раструбом, а выходной патрубок среднего всасывающе-нагнетательного насоса под давлением возвращает через нагревательный элемент воздух вновь в вертикальную трубу, причем ниже нагнетательного патрубка установлен конечный всасывающе-нагнетательный насос высокого давления с отсасывающим воздух раструбом, а выходной патрубок насоса под давлением возвращает через нагревательный элемент воздух в вертикальную трубу, конец которой присоединен к воздушной турбине, вал которой соединен с генератором, а электрические сети генератора соединены с насосами высокого давления и электродвигателем сепаратора, параллельно с которыми через адаптеры к насосам высокого давления и электродвигателю сепаратора присоединен аккумулятор с раздаточными коробками, а в нижней части вертикальной трубы через раздаточную коробку и адаптер установлены датчики температуры и давления воздушной массы для турбины, а отработанная часть воздуха из турбины выбрасывается в атмосферу через трубу.
Такая ветроэнергетическая установка, которая работает на искусственно созданном воздушном потоке, имеет разовую пневматическую турбину и разовый электрогенератор, поэтому применяться для повышенной потребности электрической энергии для производственных цехов с повышенной потребностью электродвигателей станков и механизмов не может. Для повышенной потребности электрической энергии требуется уже локальная электрическая станция.
Раскрытие изобретения
Предложена гирляндная ветроэнергетическая станция для лесных поселков и производственных цехов, где выходное отверстие первой воздушной турбины соединено с трубой, на которой установлены всасывающе-нагнетательные насосы и эта труба соединена с входным отверстием второй воздушной турбины через сверхзвуковое сопло, а выходное отверстие второй турбины через трубы с всасывающе-нагнетательными насосами соединено с входным отверстием третьей турбины через сверхзвуковое сопло и выходное отверстие третьей воздушной турбины соединено с горизонтальной трубой, на которой установлены всасывающе-нагнетательные насосы высокого давления, а конец горизонтальной трубы соединен с вертикальной трубой мачты, а все воздушные турбины валами соединены с электрогенераторами, которые объединены в единую электрическую цепь с аккумуляторами и электромоторами.
Наличие таких отличительных признаков от прототипа позволяет сделать вывод, что предлагаемое техническое решение задачи обладает существенной новизной.
Для доказательства соответствия предлагаемой ветроэнергетической станции критерию существенного отличия было проведено сравнение основных признаков с прототипом патент РФ №2387871 «Ветроэнергетическая установка».
В результате было установлено, что выходное отверстие первой пневматической турбины соединено с входным отверстием второй пневматической турбины трубой, на которой установлен всасывающе-нагнетательный насос, и таких пневматических турбин на станции несколько, установленных в гирляндной последовательности, и все турбины вращают электрогенераторы, которые соединены в единую электрическую цепь с электрогенераторами и аккумуляторами, а конечная пневматическая турбина выбрасывает отработанный воздушный поток в горизонтальную трубу, которая соединена с вертикальной мачтой.
Технический результат, дающий положительный эффект по сравнению с прототипом, определяется свойствами, приведенными в таблице.
Сравнение основных признаков прототипа и предлагаемого изобретения
Свойства и другие показатели
Заявляемая гирляндная ветроэнергетическая станция
Прототип - патент РФ №2387871 «Ветроэнергетическая установка»
1
2
3
Количество пневматических турбин
Гирлянда из нескольких турбин
Разовая турбина
Выброс отработанного воздушного потока
Во входное отверстие очередной турбины
В атмосферу
Количество электрогенераторов
Несколько для вращения каждой турбиной
Разовый для вращения одной турбиной
Передача воздушного потока
Горизонтальной трубой с насосом в очередную турбину
В атмосферу с насосом
Электрическая цепь
Объединение всех электрогенераторов
Единичная от электрогенератора
Анализ данных таблицы  показывает, что заявляемая ветроэнергетическая установка может быть реализована с учетом приведенных отличительных признаков.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана общая схема гирляндной ветроэнергетической станции.
Осуществление изобретения
Гирляндная ветроэнергетическая станция состоит из опорной мачты (1), выполненной в виде трубы (2), на которой установлены всасывающе-нагнетательные насосы (3), а вертикальная труба соединена с горизонтальной трубой (4), на которой смонтирован нагнетательный насос (5), и она заканчивает сверхзвуковым соплом (6), которое вставлено в входное отверстие (7) пневматической турбины (8), вал (9) которой соединен с электрогенератором (10), а выходное отверстие (11) первой пневматической турбины соединено с трубой (12), на которой установлены всасывающе-нагнетательные насосы (13), и она соединена с входным отверстием (14) второй воздушной турбины (15) с помощью сверхзвукового сопла (16), и она с помощью вала (17) вращает второй электрогенератор (18), а выходное отверстие (19) второй турбины соединено с трубой (20), на которой располагаются всасывающе-нагнетательные насосы (21), и она через сверхзвуковое сопло (22) соединена с входным отверстием (23) пневматической турбины (24), вал (25) которой вращает электрогенератор (26), а выходное отверстие (27) третьей пневматической турбины соединено с горизонтальной трубой (28), на которой установлены всасывающе-нагнетательные насосы (29), а конец (30) горизонтальной трубы вмонтирован в вертикальную трубу (2). Станция имеет аккумуляторные батареи (31) и электрическую цепь (32), соединенную с насосами, а также реле и адаптеры (33), через которые они присоединены к основной электрической цепи (34), объединенной от всех электрогенераторов.
В верхней части опорной мачты (1) установлен основной ветроприемник (35) в виде усеченного конуса и вспомогательные ветроприемники (36 и 37), выполненные также в виде усеченного конуса, корпусы которых опираются на подшипниковый узел (38) и соединены с флюгером (39), а полая центральная часть основного и вспомогательных ветроприемников соединена с вертикальной опорной трубой (2) мачты (1), в которой установлен сетчатый сепаратор (40) с возможностью его вращения от электрического привода (41), при этом воздушный поток имеет возможность дальнейшего прохождения по вертикальной трубе (2), а вода и снег имеют возможность отбрасываться в водоприемник (42), соединенный со сливной трубой (43).
Работает гирляндная ветроэнергетическая станция следующим образом.
Оператор с помощью аккумуляторной батареи (31) включает всасывающе-нагнетательные насосы (3), которые в вертикальной трубе (2) создают искусственный воздушный поток, который направляется в горизонтальную трубу (4), а всасывающе-нагнетательный насос (5), который в момент пуска тоже работает от аккумуляторной батареи (31), направляет воздушный поток в сверхзвуковое сопло (6), которое соединено с входным отверстием (7) пневматической турбины (8), она начинает вращаться и вращает вал (9), с помощью которого вращается электрогенератор (10), а он вырабатывает электрическую энергию и передает ее в основную электрическую цепь (34), отработанный в первой пневматической турбине воздушный поток через выходное отверстие (11) первой пневматической турбины с помощью всасывающе-нагнетательного насоса (13) через сверхзвуковое сопло (16) и входное отверстие (14) направляется во вторую пневматическую турбину (16), которая, вращаясь через вал (17), вращает электрогенератор (18), и тот электроэнергию передает в основную электрическую цепь (34), а отработанный воздушный поток второй пневматической турбины (15) через выходное отверстие (11) с помощью всасывающе-нагнетательных насосов (21) нагнетается в трубу (20), а затем через сверхзвуковое сопло (22) передается во входное отверстие (23) пневматической третьей турбины (24), которая вращает вал (27) и электрогенератор (26), а он производит электроэнергию в основную электрическую сеть (34), а отработанный воздушный поток из третьей пневматической турбины (24) через выходное отверстие (27) с помощью всасывающе-нагнетательных насосов (29) направляется в горизонтальную трубу (28), конец (30) которой соединен с вертикальной трубой (2). Первоначальный пуск всех всасывающе-нагнетательных насосов осуществляется с помощью аккумуляторной батареи (31) через свою внутреннюю электрическую цепь (32), а когда начинает работать гирлянда электрогенераторов, то реле и адаптеры (33) отключают цепь (32) и аккумуляторные батареи становятся на рабочую зарядку, а работу насоса осуществляет основная электрическая цепь (34) через адаптеры (35).
Основной (35) и вспомогательные ветроприемники (36) и (37), установленные на подшипниковом узле (38), втягивают основную воздушную массу с помощью всасывающе-нагнетательных насосов (5) в вертикальную трубу (2), при этом, если идет дождь или снег, вся воздушная масса попадает на сетчатый сепаратор (40), который вращается электрическим приводом (41) и отбрасывает воду или снег в водоприемник (42) и вода направляется в ливневую канализацию (43). Объединенные в единую электрическую систему (34) все электрогенераторы, установленные в гирляндной последовательности, обеспечивают повышенную мощность электростанции, количество электрогенераторов в гирляндной последовательности зависит от проектируемой мощности электростанции.
Предложенная гирляндная ветроэнергетическая станция имеет неоспоримые преимущества по сравнению с существующими роторами и пропеллерными ветроэнергетическими станциями с механическими передачами ветровой энергии на генератор, так как в ней отсутствуют механические передачи, а принятые устройства для создания воздушного потока требуемого по скорости, температуре и давлению обеспечивают бесперебойной работой генераторы по производству электроэнергии для поселков и производственных цехов в лесном комплексе России, с требуемой повышенной мощностью, что отличает ее от единичных ветроэнергетических установок.