ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ЦЕНТРОСТРЕМИТЕЛЬНОЙ ТУРБИНОЙ И ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
WIND POWER MODULE WITH VERTICAL CENTRIPETAL TURBINE, AND HIGH-EFFICIENCY POWER PLANT FOR ALTERNATE CURRENT GENERATION

Область техники.
Энергетическая установка относится к энергетике из возобновляемых источников, в частности к ветроэнергетическим установкам, и обеспечивает преобразование энергии ветра или течения воды в электрическую или иную энергию.
Может быть использована как автономный источник электроэнергии в промышленности, в сельском хозяйстве, в жилищно-коммунальном секторе экономики, в МЧС.
Уровень техники.
1. Известны энергетические установки, использующие кинетическую энергию воздушных потоков путем прямого силового воздействия ветра на лопасти винта или турбины (Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо. - М.: Энергоатомиздат, 1982 г.). Разнообразные схемы представлены в Интернете. Например, если в поисковом сервере google.ru сделать запрос «картинки ветрогенераторов», то можно увидеть самые разнообразные схемы и конструкции, где самым основным направлением для повышения эффективности работы энергетических установок являются как разнообразные конструкции различных активных элементов, так и различные типы входных устройств для традиционных винтов, направляющих воздушные потоки под оптимальными углами, одновременно увеличивая динамическое давление и кинетическую энергию потока. Также, с целью повышения величины ЭДС, прямо зависящей от частоты вращения, применяются мультпликаторы, которые не только увеличивают потери энергии, но также увеличивают затраты на эксплуатационные расходы.
Общими недостатками большинства эксплуатируемых и разрабатываемых установок, основой конструкции которых являются винты, являются следующие:
- различные скорости течения на разных радиусах лопастей винтов - нулевая линейная скорость вращения в центре и сверхзвуковое течение на концах лопастей, порождающее дополнительное сопротивление, вследствие чего эффективно работает только часть лопаток, находящаяся на определенных радиусах, в то время как остальная часть лопаток бесполезно трется о воздух; отсюда следует высокая стоимость конструкции ветроэнергетической станции;
- генерация инфразвуковых шумов, неизбежная с увеличением диаметров винтов, чрезвычайно высокая травмоопасность для пролетающих птиц;
- огромный момент инерции лопастей винта, создающий массу проблем, начиная от запуска генератора при слабом ветре и заканчивая оперативной ориентацией в случае смены направления ветра; снижение полезной доли получаемой энергии;
- невозможность эффективного использования энергии ветра по всей высоте установки; невозможность получения высоких показателей по съему кВт·ч с занимаемой площади, невозможность построения более высоких башен, достающих области более скоростных потоков ветра;
- для эффективной работы генератора требуется ощутимая скорость ветра, мин. 7-8 м/с и более.
Приведенные недостатки являются существенными ограничениями для широкомасштабного применения винтовых ветроэнергетических установок.
Этих недостатков лишены ветроэнергетические станции с вертикальным расположением вращающегося ротора, способные работать при скоростях ветра от 0,5 м/с, при любой смене направления ветра, без каких бы то ни было дополнительных механизмов подстройки и коррекции. Большим плюсом является то, что с ростом скорости ветра полезная снимаемая мощность только увеличивается, в то время как у винтов с ростом скорости происходит рост концевого сопротивления и при увеличении скорости ветра сверх расчетных режимов происходит падение мощности. Это падение мощности наглядно отражено в технических паспортах серьезных фирм, производящих винтовые ветрогенераторы.
Общими недостатками большинства эксплуатируемых и разрабатываемых установок с вертикальными роторами являются следующие, фиг.1:
- малая площадь полезной работы, несмотря на достаточно внушительные размеры, так как реальное количество лопаток, участвующих в полезной работе, составляет не более одной четверти от общего числа, фиг.1 поз.60, чем и объясняется низкий коэффициент использования энергии ветра;
- одна четверть лопаток, несмотря на обтекаемые профили, неизбежно создает прямое сопротивление вращению, фиг.1 поз.61;
- лопатки, находящиеся в теневой зоне, фиг.1 поз.62, подвергаются воздействию возмущенного потока с внешней стороны, создающего вихревые зоны и препятствующие вращению;
- поток ветра, пройдя лопатки, устремляется к центру вращения и при отсутствии, в подавляющем большинстве, направляющих элементов и каналов для его эффективного отвода из центральной области создает застойный возмущенный поток во внутренней части ротора, фиг.1 поз.63, препятствующий своим наличием прохождению свежих потоков, создавая сопротивление вращению ротора, поз.64 (вращение ротора против часовой стрелки), поз.65 (вращение возмущенного потока по часовой стрелке).
Для повышения эффективности работы роторных ветроэнергетических установок предлагалось увеличить эффективную рабочую площадь и увеличить кинетическую энергию потока, направляя его самым оптимальным образом на рабочие лопатки. Также предлагался модульный принцип, заключающийся как в количественном увеличении соединенных друг с другом силовых элементов, так и в количественном увеличении самих установок.
2. Эти принципы реализованы в ветроэнергетической станции, основой которой является так называемый ротор Болотова, в патенте (Патент RU №2000469, кл. F03D 3/06D, 1993 г.). Ветроэнергетическая станция представляет высокий, собранный из нескольких секций, сопловой аппарат, являющийся основой силовой конструкции, внутри которого расположен вертикальный ротор, похожий на центростремительную турбину, также собранный из нескольких секций, надетый на длинную тонкую ось. Все подшипниковые опоры расположены на сопловом аппарате. Таким образом, в конструкции реализован модульный принцип построения энергетической станции. Диаметр ротора намного меньше его длины. Поэтому с целью повышения жесткости лопаток, а также для стабилизации вращения ротора в вертикальном положении за счет гироскопического эффекта, на всех лопатках, на равном расстоянии, по всей длине, расположены диски, выполненные в виде колец. Сопловой аппарат установлен на опоре. Между лапами опоры расположен генератор, соединенный с осью ротора.
Данная конструкция обладает следующими недостатками:
- первоочередным недостатком является то, что в этой конструкции совершенно не учитывается факт образования стоячего вихря внутри вращающегося ротора. Наличие этого застойного вихря препятствует эффективному течению потока, прошедшего лопатки турбины. Поэтому, без системы отвода отработавшего потока (благодаря которой образующийся вихрь после лопаток будет двигаться, освобождая место для движения свежих потоков, проходящих лопатки), трудно получить максимально высокий процент съема полезной энергии. Кроме того, интенсивность вращения стоячего вихря растет по мере увеличения частоты вращения. В данной конструкции образованию стоячего вихря также способствует большая длина лопаток, приличная парусность и небольшой внутренний диаметр ротора;
- следующим недостатком является то, что в этой конструкции совершенно не учитывается различная скорость потоков ветра по высоте, фиг.8, поскольку конструкция ротора установки представляет собой один длинный, собранный из нескольких секций вал, вращающийся только с одной скоростью. Это приводит к тому, что потоки ветра, дующие с самой высокой скоростью, в самой верхней части установки, пытаются разогнать связанные роторы в нижней части, на которые дует, как правило, ветер с меньшей скоростью. В результате несогласованной работы получается дополнительное сопротивление для высокоскоростных потоков. Рассчитывать же на получение максимально эффективной работы с ветроэнергетических установок небольшой высоты крайнее заблуждение;
- также, недостатком является длинная, составная конструкция ротора малого диаметра, неизбежно подверженная изгибным колебаниям, несмотря на заявляемый, стабилизирующий установку гироскопический эффект. Это создает дополнительные циклические усилия (пусть и небольших амплитуд, зато постоянных во времени) на подшипники, что приводит к преждевременному износу и снижению ресурса работы подшипников и росту сопротивления вращению. Увеличение длины порождает и увеличение количества дополнительных элементов жесткости (в виде установленных дисков на роторе), дополнительных подшипниковых опор, а это все означает утяжеление, увеличение суммарного момента инерции и снижение доли полезной получаемой энергии;
- весьма существенным недостатком является то, что при подобной конструкции весьма затруднительно организовать, без полной разборки, техническую профилактику (съем, очистку, смазку, замену) подшипников, расположенных по всей высоте установки, от мелкодисперсной пыли, которая является настоящим бичом всех существующих ветроэнергетических электростанций, на какой бы высоте они не находились.
3. В патенте (Патент КНР 101270726 (А)) также описан модульный принцип построения установки. Конструкция установки представляет собой огромную панель (стену), установленную на поворотной опоре. Внутри панели по всей площади, насквозь, расположены сужающиеся каналы, внутри которых расположены вращающиеся винты. От каждого винта, в вертикальном ряду, через коническую передачу идет вал отбора мощности, который в свою очередь опять через вторую коническую передачу соединяется с общим вертикальным валом. То есть каждый вертикальный ряд винтов работает на один вертикальный вал. Вертикальные валы от всех винтов, опять же через конические передачи, соединены с общим валом генератора.
Такая конструкция обладает следующими недостатками:
- совершенно не учитывается тот факт, что нет однородных потоков ветра - скорости и направления могут сильно отличаться, особенно при вихревом, «метелеобразном» движении, вследствие чего в разных точках установки получается не только разная интенсивность вращения, но и различные направления. Все винты жестко связаны одной механической системой;
- не принимаются во внимание, связанные с такой механической системой, большие потери, связанные с огромным суммарным моментом инерции, который надо преодолеть, чтобы получить полезную энергию;
- установка (Патент КНР CN 101270726 (А)) имеет огромную парусность, вследствие того, что пространство между винтами закрыто; вероятно, авторам представлялось, что весь поток ветра пойдет только сквозь винты, не принимая во внимание суммарного давления на стенки самой конструкции, в которой проделаны многочисленные каналы;
- весьма существенным недостатком является ориентация такой неповоротливой системы по ветру; это возможно осуществить только электроникой и мощным поворотным мотор-редуктором, требующим затрат энергии.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является ветроэнергетическая установка по патенту Р.Ф. №2352808, МПК F03D 1/02, 2008 г. Установка содержит электрогенератор, соединенный с имеющей вертикальную ось вращающейся турбиной с профилированными лопастями, установленными по окружности турбины. Турбина размещена внутри неподвижного устройства формирования ветрового потока в виде цилиндрической системы с направляющими лопастями, установленными по окружности устройства. Устройство формирования ветрового потока с размещенной в нем турбиной выполнено в виде нескольких установленных друг на друга и механически соединенных между собой ярусов, в каждом из которых турбина снабжена верхним и нижним маховиками, к которым прикреплены лопасти. Устройство формирования ветрового потока снабжено верхним и нижним основаниями, к которым прикреплены направляющие лопасти. В центральной части каждого яруса турбины размещена прикрепленная к верхнему и нижнему маховикам полая труба, причем отношение внешнего диаметра турбины к диаметру полой трубы находится в интервале 1,5÷2,5.
Недостатком известной установки является недостаточная эффективность использования энергии ветрового потока, громоздкость конструкции.
Сущность изобретения.
Задачей изобретения является разработка такой модульной ветроэнергетической установки и ветрового энергетического модуля для нее, которые позволили бы повысить их эффективность за счет повышения коэффициента использования энергии ветра, в частности при малых ветровых нагрузках, увеличить выходную мощность.
Кроме того, ветровые энергетические модули должны обладать меньшими габаритами и повышенной надежностью в работе.
Согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что в ветровом энергетическом модуле с вертикальной центростремительной турбиной, содержащей электрогенератор, связанный с турбиной с профилированными лопастями, размещенной внутри неподвижного соплового направляющего аппарата, выполненного с верхним и нижним основаниями, к которым прикреплены направляющие лопасти,
сопловой направляющий аппарат снабжен в своей верхней части подшипниковой опорой для установки турбины и электрогенератора, а в нижней части снабжен профилированным выходным устройством для выхода отработанного воздушного потока, сообщающимся с внутренним пространством турбины, снабженной в верхней своей части отражателем.
Кроме того, в ветровом энергетическом модуле с вертикальной центростремительной турбиной сопловой направляющий аппарат снабжен кольцевым кронштейном, закрепленным наружным фланцем на корпусе соплового аппарата и несущим внутри полку для установки осесимметричного пространственного кронштейна, несущего корпус статора с сердечником электрогенератора и диск подшипникового узла с установленным в нем фланцем крепления турбины, при этом турбина снабжена на своем верхнем торце диском, связанным с фланцем крепления турбины и несущим кольцевой ротор электрогенератора с постоянными магнитами, расположенный в пространстве между подшипниковой опорой и корпусом статора.
А в энергетической установке для производства переменного электрического тока, содержащей основание, промежуточную опору, вертикальную силовую конструкцию, с установленными ветровыми энергетическими модулями, каждый из которых содержит электрогенератор, связанный с турбиной с профилированными лопастями, размещенной внутри неподвижного соплового направляющего аппарата выполненного с верхним и нижним основаниями, к которым прикреплены направляющие лопасти, оборудование для накопления электроэнергии, управления и распределения, ветровые энергетические модули установлены на консолях горизонтальных площадок, закрепленных на вертикальной силовой раме, при этом каждый модуль выполнен с сопловым направляющим аппаратом, снабженным в своей верхней части подшипниковой опорой для установки турбины и электрогенератором, а в нижней части профилированным выходным устройством для выхода отработанного воздушного потока, сообщающимся с внутренним пространством турбины, снабженной в верхней своей части отражателем.
Такое выполнение энергетической установки и ветрового энергетического модуля позволяет повысить их эффективность, обеспечить максимально эффективное преобразование энергии воздушного потока в электрическую, уменьшить габариты, повысить надежность и ресурс работы.
Перечень чертежей.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- фиг.1 - показаны основные, принципиальные недостатки существующих ветроэнергетических установок роторного типа;
- фиг.2 - показан общий вид предлагаемой энергетической установки;
- фиг.3 - показана принципиальная схема отдельного ветрового энергетического модуля в энергетической установке;
- фиг.4 - показана конструкция генератора и элементов подвески ротора турбины на отдельном виде;
- фиг.5 - показана конструкция генератора и элементы подвески ротора турбины в увеличенном масштабе;
- фиг.6 - показана схема расположения подшипников в базовых сечениях подвески ротора;
- фиг.7 - показана принципиальная схема размещения ветровых энергетических модулей в энергетической установке;
- фиг.8 - показывает распределение скоростей воздушных потоков в зависимости от высоты;
- фиг.9 - показана схема течения воздушных потоков в энергетической установке, состоящей из нескольких модулей;
- фиг.10 - показаны сечения, в которых отражены принципиальные моменты течения и взаимодействия воздушных потоков в ветровом энергетическом модуле, между ветровыми энергетическими модулями ветроэнергетической установки; показана схема образования газодинамической связи между модулями.
Осуществление изобретения.
Изобретение реализуется следующим образом.
Ветровой энергетический модуль с вертикальной центростремительной турбиной содержит электрогенератор, связанный с турбиной, выполненной с профилированными лопастями, размещенной внутри неподвижного соплового направляющего аппарата, выполненного с верхним и нижним основаниями, к которым прикреплены направляющие лопасти.
Сопловой направляющий аппарат снабжен в своей верхней части подшипниковой опорой для установки турбины и электрогенератора, а в нижней части снабжен профилированным выходным устройством для выхода отработанного воздушного потока. При этом, профилированное выходное устройство выполнено сообщающимся с внутренним пространством турбины, снабженной в верхней своей части отражателем.
В ветровом энергетическом модуле с вертикальной центростремительной турбиной сопловой направляющий аппарат снабжен кольцевым кронштейном, закрепленным наружным фланцем на корпусе соплового аппарата и несущим внутри полку для установки осесимметричного пространственного кронштейна, несущего корпус статора с сердечником электрогенератора и диск подшипникового узла с установленным в нем фланцем крепления турбины, при этом турбина снабжена на своем верхнем торце диском, связанным с фланцем крепления турбины и несущим кольцевой ротор электрогенератора с постоянными магнитами, расположенный в пространстве между подшипниковой опорой и корпусом статора.
Высокоэффективная энергетическая установка для производства переменного электрического тока содержит основание, промежуточную опору, вертикальную силовую конструкцию, с установленными ветровыми энергетическими модулями.
Ветровые энергетические модули установлены на пространственных консолях, закрепленных на вертикальной силовой раме.
Пример конкретной реализации.
- верхнее основание соплового направляющего аппарата представляет собой опорное корпусное кольцо, выполненное в виде кольцевого профиля, фиг.4 поз.40, в которое снизу установлены и закреплены лопатки соплового аппарата поз.44;
- нижнее основание соплового направляющего аппарата представляет собой опорное корпусное кольцо, выполненное в виде кольцевого профиля, фиг.3 поз.21, в котором в верхней части установлены и закреплены лопатки соплового аппарата, фиг.3 поз.11, фиг.4 поз.44, а в нижней части установлены лопатки выходного устройства, фиг.3 поз.14, которые также установлены в опорное корпусное кольцо, также выполненное в виде кольцевого профиля, фиг.3 поз.22;
- профилированное выходное устройство представляет собой верхнюю выходную оболочку, выполненную из композитных материалов в виде отдельных сегментов, нарезанных из профилированного кольца, выполненного методом намотки, фиг.3 поз.18, установленных между лопатками выходного устройства, фиг.3 поз.14, и прикрепленных к опорному кольцу поз.21 (крепеж не показан); нижнюю выходную оболочку, состоящую из двух частей, одна из которых выполнена из композитных материалов в виде отдельных сегментов, нарезанных из профилированного кольца, выполненного методом намотки, фиг.3 поз.19, установленных между лопатками выходного устройства, фиг.3 поз.14, и прикрепленных к опорному кольцу поз.22 (крепеж не показан); а центральная часть нижней выходной оболочки выполнена в виде конуса, также из композитных материалов, фиг.3, прикреплена к опорному кольцу поз.22; лопатки выходного устройства, фиг.3 поз.14, представляют собой тонкие стальные листы металла, согнутые по особому профилю, подвергнутые дополнительной металлообработке, имеющие резьбовые отверстия для крепления, расположенные по торцам (система крепежа не показана);
- кольцевой кронштейн представляет собой два профилированных кольца, из которых опорное кольцо, фиг.4 поз.34, имеет полку для установки осесимметричного пространственного кронштейна, а вставляемое сверху опорное кольцо имеет два исполнения: в самом верхнем модуле, имеющем соединение только с крышкой поз.30, профиль показан на фиг.4 поз.35; во всех модулях расположенных ниже, опорное кольцо является основой для расположенного выше выходного устройства, фиг.3, и профиль такого опорного кольца показан на фиг.3 поз.22;
- осесимметричный пространственный кронштейн представляет собой два профилированных кольца, фиг.4 поз.41 и 43, в котором верхнее опорное кольцо поз.41 вставлено в нижнее опорное кольцо поз.43; при этом профиль верхнего опорного кольца поз.41 выполнен в виде конуса, что обеспечивает высокую пространственную жесткость и точность фиксации элементов статора генератора поз.29, 31.
- подшипниковая опора представляет собой диск подшипниковой опоры поз.27, на котором расположены подшипники поз.24, закрепленные на осях поз.25 с помощью крепежа поз.26; с нижней стороны к диску крепится составное корпусное кольцо, состоящее из корпусных колец поз.23 и 49, в котором установлены оси поз.51 и на которых установлены подшипники поз.50 и 57.
Предлагаемая конструкция установки, представленной на фиг.2, состоит из основания поз.1, промежуточных опор поз.2, силовой рамы поз.3, ветровых энергетических модулей с вертикальной центростремительной турбиной поз.4, узлов крепления поз.5 к силовой раме поз.3, обтекателя поз.6, внутри которого находится технологическое помещение, технологического лифта сеч. А-А поз.7, движущегося внутри силовой рамы, антенны многоцелевого назначения поз.8, аккумуляторной станции поз.9, страховочных тросов поз.10.
Установка работает следующим образом. Воздушный поток движется направленным вертикальным фронтом на установку, фиг.3, 8, 9.
При этом воздушный поток может иметь переменные направления, может быть неоднородным, имея различные скорости течения по высоте, а также двигаться в виде больших вертикальных вихрей. Проходя через установку, воздушный поток вращает турбину и совершает полезную работу в каждом модуле поз.4, в зависимости от интенсивности движения воздушного потока в области входа в сопловой аппарат модуля. При этом обеспечивается не только работа каждого отдельного модуля, но и совместная работа всех модулей по всей высоте установки в целом. Энергия, производимая всеми ветровыми энергетическими модулями по всей высоте башни, поступает в индивидуальную, аккумуляторную станцию поз.9, и при достижении определенной емкости, дозировано компьютером, сбрасывается через общее коммутирующее устройство энергетической станции в единую энергосеть. Дозированный режим зарядки и разрядки необходим для увеличения срока службы аккумуляторов, который напрямую зависит от стабильных условий эксплуатации. Аккумулирующая станция также может являться противовесом, дополнительно удерживающим силовую раму в вертикальном положении. В качестве альтернативы аккумуляторной батарее, может использоваться батарея силовых конденсаторов, имеющая меньшее время на зарядку, и сброса в сеть, а также более компактные размеры и высокий срок службы.
Необходимая величина мощности энергетической станции достигается соединением достаточного количества ветровых энергетических модулей поз.4, по всей высоте башни и дальнейшей установкой необходимого количества башен.
Промежуточная опора поз.2, кроме того, что дополнительно увеличивает высоту подъема установки и снижает уровень запыленности ветрового потока, также выполняет функцию по рассеиванию в приземной области воздушного потока, проходящего через вертикальную цепь модулей, связанных газодинамическими связями.
Технологическое помещение внутри обтекателя поз.6 предназначено для предварительного контроля состояния и оценки дальнейшей работоспособности подшипников, а также для контроля и обслуживания дополнительной аппаратуры, которую можно установить на башни, такие как генераторы радиоволн и антенны многоцелевого назначения поз.8. Антенны поз.8 также позволяют осуществлять дистанционный контроль большого количества установок в едином диспетчерском центре.
Технологический лифт поз.7, сеч. А-А, предназначен для обслуживания и быстрой замены подшипниковых опор. Полная разборка производится на земле, в специализированном помещении. Технологический лифт необходим и в случае применения бесконтактных подшипников на базе сильных магнитов, т.к. магнитные свойства материалов с течением времени заметно снижаются. Главная выгода в применении таких подшипников - исключительная бесшумность и отсутствие смазки.
Для дополнительной устойчивости установка фиксируется тросами поз.10, фиг.2.
В соответствии с изобретением ветровой энергетический модуль содержит корпус, энергоагрегат, установленный в корпусе и имеющий воздушную турбину, механически связанную с генератором, включающим статор и ротор, фиг.3, 4, 5.
Корпус состоит из лопаток конфузорного входного соплового аппарата фиг.3 поз.11, силовых стоек диффузорного выходного устройства поз.14, и опорных корпусных колец фиг.3 поз.21, 22, фиг.4 поз.34, 35, 40. В самом верхнем модуле к опорному корпусному кольцу поз.35, фиг.4, с помощью крепежа поз.36 и стоек поз.37, прикрепляется верхняя крышка поз.30. Во всех ниже следующих модулях применяется опорное корпусное кольцо поз.22, фиг.3. Лопатки конфузорного входного направляющего аппарата фиг.3 поз.11, фиг.4 поз.44, выполняют также функцию входного устройства, оптимально направляя энергию ветра на лопатки центростремительной турбины поз.12, фиг.3, сеч. В-В. Силовые стойки диффузорного выходного устройства поз.14, также обеспечивают эффективный отвод отработавшего потока из установки, фиг.3 сеч. Г-Г.
Лопатки конфузорного входного направляющего аппарата фиг.3 поз.11 в верхней части крепятся к корпусному кольцу фиг.4 поз.40. Крепеж лопаток не показан. На корпусное кольцо поз.40 надевается опорное кольцо поз.34, которое сверху фиксируется опорным кольцом поз.35 в самом верхнем модуле, и опорным кольцом поз.22 во всех нижеследующих модулях. Фиксация и сборка обеспечивается крепежом поз.39. На опорное кольцо поз.34 с помощью крепежа поз.42 устанавливаются нижнее и верхнее опорное кольцо поз.43, 41. К верхнему опорному кольцу поз.41 с помощью крепежа поз.33 устанавливается диск подшипниковой опоры поз.27. В нижней части диска подшипниковой опоры поз.27, установлено два корпусных кольца поз.49 и 23, соединяемые в единый узел осями поз.25 и крепежом поз.26. Для обеспечения точного позиционирования корпусных колец поз.49 и 23 применяется фиксирующий крепеж поз.58. Это позволяет обеспечить высокоточную ориентацию осей поз.25 и 51, на которых расположены подшипники поз.24, 50, 57, фиг.4, 5, выносной вид Д. Верхние подшипники поз.24 обеспечивают подвеску ротора в вертикальном положении, 6 шт., расположенных равномерно по окружности; нижние подшипники поз.24 обеспечивают четкую фиксацию в плоскости вращения, предотвращая смещения по вертикали, заедания и заклинивания, 6 шт., также равномерно расположены по окружности. Подшипники поз.50,57 обеспечивают строгую фиксацию оси вращения турбины; находятся на 6-ти, равномерно расположенных по окружности, осях; по одному подшипнику на каждую ось. Схема расположения показана на фиг.6, сеч. Е-Е, сеч. Ж-Ж. Система смазки и продувки подшипников не показана.
На корпусе также расположены оболочки, формирующие входной канал в турбину: верхняя входная оболочка фиг.3 поз.15 и нижняя входная оболочка поз.16, представляющие собой набор одинаковых секторов, нарезанных из кольцевого профиля, полученного методом намотки; направляющая оболочка фиг.4, поз.38, устанавливаемая на самом верхнем модуле установки. Оболочки, формирующие выходной канал - верхняя выходная оболочка фиг.3 поз.18, нижняя выходная оболочка поз.19. Оболочка, исключающая столкновение выходящего и набегающего потока - внешняя распределяющая оболочка фиг.3 поз.20. Для эффективного отвода отработавшего воздушного потока на роторе центростремительной турбины установлен отражатель воздушного потока фиг.3 поз.17. Все оболочки - тонколистовые тела вращения, выполненные из стеклопластика традиционной намоткой на специализированной оснастке.
Воздушная турбина выполнена в виде вертикального ротора фиг.3, 4, 5, состоящего из нижнего и верхнего диска поз.54, 55; ребер жесткости поз.47; фланца крепления турбины поз.52, элементов крепежа поз.53, благодаря которым, осуществляется сборка и крепление ротора к кольцу подвески турбины поз.59 с помощью крепежа поз.56. Лопатка турбины поз.12 фиг.3, поз.48 фиг.4, представляет собой тонколистовую, объемную конструкцию, внутри которой, расположены ребра жесткости. Межреберное пространство заполнено легким пеноматериалом. Крепеж лопатки к ротору расположен во внутреннем межреберном пространстве; на схеме не показан.
Энергоагрегат, фиг.4 вид Б, фиг.5 вид Д, состоит из ротора с постоянными магнитами поз.28, установленного на верхнем диске турбины поз.55 с помощью универсального крепежа поз.53; и статора, состоящего из обмотки поз.29, сердечника поз.31, закрепленного с помощью осей поз.46 в корпусе статора. Корпус статора состоит из кольца поз.45 и крышки поз.32. Статор генератора в сборе устанавливается в нижнее опорное кольцо поз.43, закрепляется верхним опорным кольцом поз.41 и диском подшипниковой опоры поз.27 с помощью крепежа поз.33.
Модуль энергетической установки работает следующим образом, фиг.3, 8, 9, 10. Поток, проходящий через модуль ветроэнергетической установки, делится на два основных потока: основной, проходящий сквозь лопатки конфузорного соплового аппарата, фиг.9 поз.80, совершающий полезную работу, вращая ротор турбины, фиг.3 сеч. В-В поз.12; и вспомогательный, фиг.9 выносной вид К, образуемый благодаря внешнему разделительному устройству, фиг.3 поз.20, помогающий выходящему, фиг.9 поз.82, отработавшему потоку после турбины покинуть модуль с наименьшим сопротивлением.
При этом, в основном потоке, фиг.9 поз.81, образуется две основных зоны - рабочая, фиг.3 сеч. В-В поз.66, фиг.10 сеч. М-М поз.76, и теневая, фиг.3 сеч. В-В поз.67, фиг.10 сеч. М-М поз.78, каждая из которых, в свою очередь, делится еще на ряд участков, отличающихся друг от друга интенсивностью происходящих процессов. Рабочая зона, поз.66, 76 - это та часть лопаток фиг.4 поз.44, соплового аппарата фиг.3 поз.11, куда попадает ветер и которая непосредственно направляет энергию потока ветра на рабочие лопатки фиг.4 поз.48, центростремительной турбины фиг.3 поз.12. Теневая зона, поз.67, 78 - это та часть лопаток соплового аппарата, которая большей частью отражает поток ветра, рассеивая его энергию в пространстве. Поток, проходящий рабочую зону, попадает самым оптимальным образом на лопатки вертикальной центростремительной турбины, приводя ее во вращение, и посредством соединенного ротора с постоянными магнитами, фиг.5, поз.28 и взаимодействующим с обмоткой поз.29, установленной в статоре поз.32, 41, 43, 45, происходит преобразование энергии ветра в электроэнергию.
Отработавший поток во внутреннем пространстве турбины, фиг.3 поз.13, фиг.9 поз.81, имеет более низкую температуру, а следовательно, он стал немного плотнее, тяжелее и под действием силы тяжести возникает естественное движение, направленное вниз. Чтобы сделать этот процесс более эффективным, предложено следующее. Во-первых, в нижней части установки располагается расширяющийся канал, формируемый внутренними оболочками фиг.3 поз.18 и 19. Во-вторых, чтобы стимулировать направленное движение более тяжелого потока вниз, в верхней части турбины находится отражатель фиг.3 поз.17, который своей геометрической формой направляет движение всего потока, проходящего через лопатки турбины, вниз. В-третьих, чтобы сделать отвод потока из расширяющегося канала более эффективным, создается небольшое разрежение с внешней стороны установки за счет работы внешнего разделительного устройства фиг.3 поз.20, фиг.9 выносной вид К. Дело в том, что при взаимодействии выходящего из установки потока с набегающим потоком ветра также образуется две основных зоны - вторичная рабочая зона, фиг.3 сеч. Г-Г поз.68, фиг.10 сеч. Л-Л поз.73, в которой направление ветра и направление выходящего потока совпадают; и зона прямого сопротивления, фиг.3 сеч. Г-Г поз.69, фиг.10 сеч. Л-Л поз.74, в которой направление ветра и выходящего потока прямо противоположные, сталкиваются лоб в лоб. Применение внешней распределяющей оболочки фиг.3 поз.20, фиг.9 выносной вид К, позволяет во вторичной рабочей зоне, поз.68, особенно в области фронтального удара потока, развернуть набегающий поток так, что он будет помогать отводу выходящего, отработавшего воздуха, работая как эжектор, фиг.9 выносной вид К; а в зоне прямого сопротивления, поз.69, также в области фронтального удара - также происходит разворот набегающего потока так, что он помогает отводить часть выходящего, отработавшего воздуха в сторону, избегая прямого столкновения потоков в верхнем выходном сечении нижнего модуля, пространственная схема, фиг.10 вид К, Н (вид Н получается совмещением вида Л-Л и М-М); и, благодаря развороту набегающего потока, происходит ограничение фронта удара набегающего потока в нижнем выходном сечении верхнего модуля. Применение внешней распределяющей оболочки фиг.3 поз.20 позволяет в рабочей зоне за счет местного эффекта эжекции, (а также за счет того, что направление выходящего охлажденного, утяжеленного потока, стремящегося вниз, фиг.9 поз.81, 82, совпадает с направлением свежего потока входящего в нижний модуль, фиг.9 поз.83) создать газодинамическую связь, фиг.10 вид К поз.79, между установленными, друг на друге, модулями. Установлению такой связи также способствует зона прямого сопротивления, поз.69, своим непосредственным влиянием также способствуя более интенсивному вихревому взаимодействию между модулями. Теневая зона, фиг.3 сеч. Г-Г поз.70, фиг.10 сеч. Л-Л поз.73, в диффузорном выходном устройстве является зоной отвода отработавшего потока, который продолжает свое движение вокруг установки, обтекая ее сверху вниз, и способствует свежему потоку ветра, входящему в нижний модуль, интенсивнее закрутиться вокруг большего числа лопаток входного направляющего аппарата нижнего модуля.
Несмотря на то что принцип действия предлагаемого ветрового энергетического модуля, заключающийся в том, что для исключения зон прямого сопротивления и расширения доли полезно работающих лопаток применяется сопловой аппарат, (фиг.3, сеч. В-В, благодаря чему доля эффективно работающих лопаток возрастает до одной трети, по сравнению с традиционно работающими роторами, фиг.1, где доля эффективно работающих лопаток едва достигает одной четвертой от общего числа), известен достаточно давно, в предлагаемой конструкции существует одно главное, принципиальное, отличие от существующих прототипов.
Это отличие заключается в том, что ветер, пройдя лопатки и совершив определенную работу, охлаждается, и значит, теперь имеет большую плотность и под действием силы тяжести стремится вниз, к земле. Таким образом, напрашивается возможность естественным образом упорядочить движение потока, обеспечив одновременно отвод отработавших масс и освободив место вновь прибывающим, снижая потери от вращения застоявшегося вихря тем, что вместо застойного движения образуется направленное движение вихря вниз. В предлагаемой конструкции это достигается за счет наличия отражателя поз.17, фиг.3, за счет формы и вращения направляющего поток отработавшего воздуха вниз фиг.10 поз.81, который затем направляется в расширяющийся выходной канал, формируемый оболочками фиг.3 поз.18, 19 и силовыми стойками поз.14.
Но кроме этого, для достижения максимальной эффективности работы ветрового энергетического модуля с вертикальной центростремительной турбиной применяются следующие принципы, которые формируют принципиальные отличия от существующих конструкций, фиг.3, 9, 10.
Первое принципиальное отличие - выходное направление холодного воздуха из верхнего модуля в рабочей зоне геометрически складывается самым оптимальным образом с направлением движения набегающего потока воздуха в нижнем модуле, фиг.10 сеч. М-М поз.74, 75, фиг.18 вид Н поз.77, 78, что обеспечивается формой лопаток выходного направляющего аппарата, фиг.3 поз.14. Направление вращения потока после выхода из рабочих лопаток турбины, фиг.3, поз.12, показано на фиг.10, сеч. М-М, в центре, по часовой стрелке; направление вращения потока, выходящего из установки через выходной направляющий аппарат, фиг.3 поз.14, показано на фиг.10, сеч. Л-Л, также по часовой стрелке; образование рабочей зоны выходящего потока - поз.71, 75; суммарный результат показан на схеме, фиг.10 вид Н поз.77, 78, расположенной внизу под этими сечениями. Совпадение направлений вращения.
Второе принципиальное отличие - зона разделения потоков в рабочей зоне таким образом, благодаря внешней распределяющей оболочке фиг.3 поз.20, что часть идет на вход в сопловой аппарат фиг.9 поз.81, а часть помогает выходу воздуха из выходного канала, направляя часть вышедшего потока снова на вход в сопловой аппарат нижнего модуля фиг.9 выносной вид К, формируя таким образом газодинамическую связь, фиг.10 вид К поз.79, между модулями, а часть рассеивая, в соответствии с направлением движения набегающего потока воздуха, фиг.9 выносной вид К, фиг.10 вид К. При этом входящий теплый поток входит в верхнюю область соплового аппарата модуля, проходит вниз сквозь модуль, охлаждаясь, и холодный выходит из верхнего модуля в нижний - определенная аналогия движения вихревых потоков в смерче, в котором холодные потоки, интенсивно вращаясь, двигаются вниз по направлению к земле (относительно теплого восходящего потока, который имеет более высокую интенсивность вращения за счет меньшей плотности, и именно более высокая интенсивность вращения теплого потока, приводящая к падению давления в области оси вращения, что и является основой пинч-эффекта, при которой образуется вращающийся вихревой столб).
Третьим принципиальным отличием является то, что вокруг предлагаемой установки в процессе работы образуется нисходящий вихревой поток, увеличивающий заполняемость направляемых сопловых аппаратов, и чем выше установка, тем интенсивность циркуляции больше, тем больше КПД.
Четвертым принципиальным отличием, в отличие от традиционных винтов, является то, что с ростом скорости ветра мощность вертикальных роторов только увеличивается, в то время как у винтов, с ростом скорости происходит рост концевого сопротивления и, при увеличении скорости ветра сверх расчетных режимов, происходит падение мощности. Этот факт находит отражение во всех технических паспортах серьезных фирм, производящих винтовые ветрогенераторы, которые доступны для прочтения в интернете.
Пятое принципиальное отличие заключается в наличии отдельной несущей опоры, которая принимает на себя всю основную силовую нагрузку, исчезает необходимость делать модули разной прочности - более прочные внизу и более легкие вверху; применяются модули только одного типа. Это позволяет расположить систему ветровых энергетических модулей вокруг опоры, равномерно по всей высоте установки. И это позволяет добиться того, что энергия ветра будет преобразовываться в полезную электроэнергию по всей высоте энергетической установки, в то время как в большинстве применяемых ветрогенераторах несущая опора несет только один генератор на определенной высоте и не преобразует энергию воздушного потока в полезную электрическую по всей высоте.
Шестым принципиальным отличием, является то, что благодаря независимой работе всех модулей установка может работать с любыми типами ветров, в самом широком диапазоне разброса скоростей.
Седьмым принципиальным отличием, в отличие от традиционных винтов, является то, что при предлагаемой конструкции соединения модулей в башню, возможно построение башни существенно большей высоты, поскольку башня испытывает меньший изгибающий момент в отличие от огромного винта, создающего большой изгибающий момент вследствие точечного приложения нагрузки в самой верхней точке силовой башни. Благодаря большей высоте башни возможна работа при более высоких скоростях ветра, и, следовательно, обеспечить возможность существенно более высокого съема электроэнергии с единицы занимаемой площади земли.
Восьмым принципиальным отличием является то, что благодаря модульному принципу построения предлагаемой установки применяются модули одного типа, все базовые детали имеют сравнительно небольшие размеры и это позволяет наладить массовое автоматизированное производство подобных установок, поскольку унифицировано большинство применяемых деталей и узлов. А благодаря крупносерийному производству возможно существенное снижение цен на ветровые энергетические модули, и в конечном итоге, на саму энергетическую установку.
Вследствие того, что в данном изобретении учтены основные недостатки применяемых в настоящее время ветроэнергетических электростанций, предлагаемая конструкция имеет следующие принципиальные преимущества, заключающиеся в том, что:
- применение входного соплового аппарата, фиг.3 поз.11, позволяет увеличить число эффективно работающих лопаток поз.12 с одной четверти до одной трети; позволяет исключить зону прямого сопротивления, отражая, в этом случае, набегающий поток от вращающихся лопаток и создавая небольшое разрежение и, следовательно, немного снижая взаимное влияние решеток СА и РК друг на друга;
- применение отражателя, фиг.3 поз.17, установленного в рабочем колесе, позволяет максимально эффективно направлять охлажденный после турбины более плотный воздух вниз фиг.9 поз.81, используя силу тяжести и высвобождая место для вновь поступающих, после лопаток, потоков, исключая образование застойных, неупорядоченных вихрей и связанное с ними внутреннее сопротивление;
- применение разделителя потоков, фиг.3 поз.20 позволяет оптимизировать течения в рабочей зоне прямо набегающих на модуль потоков ветра и выходящих в этой области потоков из установки таким образом, что вместо прямого столкновения встречных потоков энергия ветра помогает выходящему воздуху покинуть установку, фиг.9 выносной вид К;
- применение выходного направляющего аппарата, фиг.3 поз.14 позволяет осуществить газодинамическое взаимодействие между системой из двух, фиг.10, и более, расположенных друг над другом, модулей, поскольку направление выходящего вниз из верхней установки охлажденного потока воздуха, фиг.9 поз.82, геометрически складывается с направлением потока, входящего в нижнюю установку, фиг.9 поз.83;
- сравнительно небольшой диаметр применяемых турбин и небольшой вес позволяет максимально снизить момент инерции роторов и обеспечить согласованную динамику вращения в соответствии с меняющейся скоростью ветра, и получать больше полезной энергии при более низких скоростях ветра;
- небольшой вес турбин и вертикальное расположение ротора позволяет применить самые простые по конструкции бесконтактные подшипники на основе сильных постоянных магнитов, что обеспечивает бесшумность работы и большой ресурс;
- расположение роторов вращающихся турбин во внутренней области конструкции обеспечивает высокий уровень безопасности; позволяет избежать необходимости создания большой зоны отчуждения земли, в отличие от больших вращающихся лопастей традиционных воздушных винтов, а также более просто организовать защиту от попадания птиц;
- отсутствие мультипликаторов благодаря бесконтактной схеме электрогенератора и отсутствие, соответственно, проблем, связанных с эксплуатацией и дополнительным шумом;
- с ростом скорости ветра мощность установки увеличивается, в то время как у винтов, с ростом скорости, происходит рост концевого сопротивления и при увеличении скорости ветра сверх расчетных режимов происходит падение мощности.
Установка может размещаться в районах, где средняя скорость ветра едва превышает 3-4 м/с и применение модулей с осевой турбиной неэффективно, правда при этом она должна иметь определенную высоту, и поэтому максимальная эффективность установки будет там, где скорость ветра имеет максимально возможное значение. Возможна работа в жарких условиях пустыни, максимально используя кинетическую энергию высотных холодных, нисходящих потоков, обтекающих с внешней стороны установку, и тепло восходящих потоков, от раскаленных песков, в центральной, внутренней области установки.
Установка может иметь различные возможные варианты исполнения. Возможно применение сейсмоустойчивых опор, позволяющих работать в условиях постоянных и сильных землетрясений, при условии, что образовавшиеся трещины не пройдут прямо под опорой. Возможен вариант размещения энергоустановок непосредственно на крышах домов, правда, высота дома будет составлять одну четверть, максимум одну треть от общей высоты, и располагаться такие города должны в непосредственной близости от морского побережья, крупных рек, либо в горной местности, либо под землей в пустыне.
Для создания высокоэффективных, бесшумно работающих ветроэнергетических установок модульного типа, любой мощности, основой которых является ветровой энергетический модуль с вертикальным ротором (выполненный в виде центростремительной турбины, оснащенной системой оптимизации течения воздушных потоков), способный работать в самых жестких условиях, в течение самого длительного времени и самых минимальных эксплуатационных затратах - есть все необходимые материалы и производственные технологии.