ВЫСОКОЭФФЕКТИВНАЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА МОДУЛЬНОГО ТИПА И МОДУЛЬ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА ДЛЯ НЕЕ
HIGHLY EFFICIENT WIND-DRIVEN PLANT OF MODULAR TYPE AND WIND GENERATOR MODULE FOR IT

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.
Известны энергетические установки, использующие кинетическую энергию воздушных потоков путем прямого силового воздействия ветра на лопасти винта или турбины (1). 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 Э.Д.С., 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:
- 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;
- генерация инфразвуковых шумов, неизбежная с увеличением диаметров винтов; причем мощность инфразвука существенно растет с длиной лопастей;
- огромный момент инерции, создающий массу проблем, начиная от запуска генератора при слабом ветре и заканчивая оперативной ориентацией в случае смены направления ветра.
Теоретический коэффициент использования энергии ветра винтов равен приблизительно 0,593; максимально достигнут 0,43. Оптимальная скорость ветра для маломощных (0,5-2 кВт) генераторов составляет 7-8 м/с, и 10-12 м/с для генераторов мощностью более 10 кВт.
Для повышения эффективности работы ветроэнергетических установок кроме увеличения площадей активных элементов также предлагалось использовать двойное воздействие ускоренного потока на входе в турбину и создание большего разрежения в выходном канале турбины, с целью снижения сопротивления течения потока после выхода из турбины (2).
Описанная в патенте (2) конструкция представляет собой систему из двух основных сужающихся каналов, расположенных на одной оси, один из которых идет непосредственно на турбину, а второй, обтекающий первый с внешней стороны, представляет собой каскад из двух, следующих друг за другом, также сужающихся каналов, предназначен для создания разрежения на выходе из турбины. При этом поток, текущий к турбине, сначала направляется с разворотом на 270 град в камеру накапливания (ресивер), в которой установлены электрогенератор, мультипликатор и турбина. Таким образом, по замыслу авторов, обеспечивается закрутка и равномерность течения воздушного потока, проходящего через турбину, а также отсутствие препятствий для создания максимально возможного разрежения за турбиной. Поток после турбины направляется в канал отвода воздушного потока, в котором создается ступенчатое разрежение за счет течения во внешних, суживающихся сечениях каналов, получая, таким образом, возможность более свободного выхода из турбины.
Данная конструкция имеет серьезный недостаток, заключающийся в том, что поток, текущий к турбине, проходит очень длинный путь, обтекая, к тому же, в камере накопления мультипликатор и генератор, что приводит к существенным потерям кинетической энергии потока, и как следствие, к неэффективной работе установки, несмотря на создаваемое разрежение за турбиной вторым каналом. Серьезный недостаток также заключается в том, что не будет обеспечена планируемая величина разгона воздушных потоков из-за приличной величины сужения каналов. И кроме того, приведенный в описании к патенту (2) вариант монтажа на башне не обеспечивает самоориентацию станции по направлению к ветру.
Более совершенной является ветроэнергетическая установка, описываемая в патенте (3).
Установка (3) представляет собой узел турбины, заключенный в обтекатель самого малого диаметра, который расположен внутри двух кольцевых оболочек среднего и большого диаметра, образующих два проточных канала, спрофилированных таким образом, что формируют вместе с выходным каналом турбины две внешние, связанные, эжекторные ступени. Первая эжекторная ступень образуется между выходным каналом внутренней оболочки турбины (наименьшего диаметра) и каналом внешней оболочки (среднего диаметра), и предназначена для создания первоначального разрежения для потока, проходящего сквозь лопатки турбины. При этом образуется общий промежуточный канал. Вторая эжекторная ступень образуется между промежуточным каналом и второй внешней оболочкой (самого большого диаметра) для создания еще более глубокого разрежения в выходном канале турбины.
Теоретически, работа установки (3) построена по следующему принципу. Воздушный поток изначально разделяется на два потока. Воздушный поток, движущийся в направлении центральной оси симметрии, попадает в суживающийся канал, в минимальном сечении которого расположена турбина. Разгоняясь до определенной скорости и совершая работу, вращая лопатки турбины, поток выходит из турбины с пониженной осевой скоростью (основная составляющая скорости после турбины - радиальная). Для быстрого восстановления статического давления потока, прошедшего турбину, выходной канал выполнен расширяющимся. Одновременно с воздушным потоком, проходящим через турбину, движется воздушный поток, проходящий в сужающийся канал между внешней оболочкой (среднего диаметра) и внутренней оболочкой турбины, разгоняясь до определенной осевой скорости, которая по величине превосходит осевую скорость выхода потока после турбины, что приводит к падению статического давления в этом канале. При слиянии обоих каналов в один промежуточный происходит процесс смешивания потоков. При этом, поток, текущий в выходном канале турбины, обладает большим статическим давлением и поэтому он начинает расширяться в область, имеющую пониженное статическое давление, которым обладает поток, прошедший канал, образованный оболочкой турбины и внешней оболочкой (среднего диаметра). Соответственно, происходит увеличение скорости истечения, и понижения статического давления, создание разрежения. Таким образом, образуется первая эжекторная ступень. Это способствует снижению сопротивления расширения потока, проходящего через турбину, и повышает частоту вращения турбины.
Но авторы изобретения решили, что можно создать еще большее разрежение - только теперь уже в этом промежуточном канале и поэтому они ввели в конструкцию еще один дополнительный канал для разгона потока до еще более высокой осевой скорости, чем той, которая была достигнута в процессе смешивания потоков в промежуточном канале. Дополнительный сужающийся канал, образован оболочкой среднего диаметра и внешней оболочкой самого большого диаметра. Аналогичным образом, промежуточный канал переходит в расширяющийся, для создания разницы в статических давлениях между промежуточным и внешним каналом. Соответственно, при слиянии теперь этих каналов в один, также будет образована вторая эжекторная ступень, также будет происходить процесс смешивания потоков, сопровождаемый дальнейшим разгоном потока в этом новом канале, что должно обеспечить еще более разреженное пространство за турбиной, а следовательно - еще меньшее сопротивление для воздушного потока, проходящего через турбину, что позволит получить более высокие скорости вращения генератора, а следовательно и э.д.с.
Т.е. по сути дела, это огромный, двухступенчатый эжектор, работа которого сводится к обеспечению эффективного отвода воздушного потока покидающего турбину. Однако, более детальный анализ выявляет несколько существенных недостатков:
- вследствие большой длины проточных каналов, а следовательно, и обтекаемых поверхностей, возникает существенное сопротивление трения об эти поверхности, в значительной степени нарушающее расчетные параметры течения воздушных потоков, что приводит к сильному снижению эффективности работы установки;
- из-за приличной величины сужения каналов также не будет обеспечена планируемая величина разгона воздушных потоков;
- промежуточный канал, обтекающий канал турбины и обеспечивающей разгон воздушного потока, с целью максимального понижения статического давления и создания разрежения в камере отвода потока после турбины, на самом деле, согласно представленным чертежам, является каналом постоянного сечения, поскольку диаметры выходных сечений увеличиваются, и поэтому, никакого ускорения воздушного потока наблюдаться не будет;
- установка имеет просто огромные размеры, что создает массу проблем начиная с производства (производство деталей больших размеров требует применение дорогой оснастки и спецоборудования), и заканчивая монтажом (огромные размеры, огромная парусность установки, в первую очередь, приводят к гигантским изгибающим усилиям на опору установки, а процесс монтажа подразумевает применение уникальных строительных технологий), что приводит к значительному удорожанию проекта.
Самой близкой по принципу действия является конструкция, описанная в патенте (4). В этой конструкции воздушная турбина, соединенная с генератором, также находится внутри сужающейся оболочки, которая в свою очередь находится внутри еще двух, расположенных на центральной оси симметрии, больших по диаметрам, сужающихся оболочек, из которых самая большая, по входному диаметру, соединена с общим выходным каналом. Все три канала выходят в общий выпускной канал. Обе внешние оболочки расположены внутри внешней корпусной оболочки, которая выполнена в форме усеченного конуса, малый диаметр которого находится на входном сечении, а большой - на выходной кромке выпускного канала. Конструкция воздушной турбины представляет собой турбину, (больше похожую на вентилятор ТРДД), лопасти которой установлены на механизме изменения шага винта, расположенном на валу, соединенном с валом генератора. Система оболочек установлена на специальной поворотной раме, которая соединена с редуктором, осуществляющим поворот рамы согласно изменяемым показателям датчика, установленного на флюгере.
Согласно описанию, ветроэнергетическая станция работает следующим образом. Воздушный поток, обдувающий и обтекающий установку разделяется на четыре основных потока, направленных вдоль центральной оси симметрии. Поток, проходящий через центральное, немного сужающееся сечение (самого малого диаметра) на лопатки турбины, имеет наименьшую скорость. Соосно ему, течет два потока в параллельных сечениях, также в сужающихся каналах, но с более высокой степенью сужения. Причем, степень сужения возрастает по мере удаления канала от центральной оси. То есть, в центральном канале поток на входе в турбину имеет наименьшую осевую скорость (а пройдя лопатки турбины - еще меньше); в следующем, параллельном сечении скорость течения в самом узком сечении (располагающемся чуть дальше выходного сечения турбины) - намного выше; и в самом дальнем канале (от центра оси) скорость течения в самом узком сечении (которое находится чуть дальше среднего канала) -скорость течения еще выше. Именно этот канал, имеющий самые большие диаметры базовых сечений, соединяется с общим выходным устройством. Таким образом, поток, покидающий лопатки турбины, имеет самую низкую осевую скорость течения и самое большое статическое давление. Расположенное сразу за турбиной, минимальное сечение среднего канала обеспечивает существенно большую скорость течения и, следовательно, значительно меньшее статическое давление и поэтому поток, выходящий из турбины начинает расширяться в радиальном направлении, в области течения среднего потока с более высокой скоростью. То есть, поток с более высокой скоростью создает эффект разрежения, образуется первая эжекторная ступень. Для усиления эффекта эжекции, за минимальным сечением среднего канала располагается минимальное сечение самого большого (по базовым диаметрам) канала, в котором скорость течения потока еще выше, чем в среднем канале. Аналогичным образом, формируется вторая эжекторная ступень. Потоки текущие с более высокой скоростью создают разрежение, в которое устремляется воздух, прошедший лопатки турбины, и, таким образом, снижается сопротивление и увеличивается частота вращения турбины. Дополнительно, чтобы облегчить уже суммарный отвод воздуха из выпускного канала, внешняя оболочка, которую обтекает четвертый поток, имеет определенную пространственную кривизну, в которой выходной диаметр больше входного. Это должно обеспечить на выходной кромке эффект диаметрального расширения выходного сечения.
Ориентация по ветру осуществляется с помощью электроники, за счет сигналов местоположения исходящих от датчиков, установленных на флюгере.
Отдельного внимания заслуживает применение системы переменного шага винта для стабилизации вращения при изменении скорости ветра, которая также осуществляется электроникой.
Однако серьезный анализ этой конструкции также показывает наличие ряда принципиальных недостатков, заключающихся в том, что:
- вследствие большой длины проточных каналов, а следовательно, и обтекаемых поверхностей, возникает существенное сопротивление трения об эти поверхности, в значительной степени нарушающее расчетные параметры течения воздушных потоков, что приводит к сильному снижению эффективности работы установки;
- из-за приличной величины сужения каналов также не будет обеспечена планируемая величина разгона воздушных потоков;
- сужающиеся каналы нарисованы так, что вместо эффекта эжекции будет все с точностью до наоборот - они запирают выходное сечение после турбины, препятствуя свободному выходу потока;
- система переменного шага винта, способного изменять углы закрутки лопастей, которая по замыслу авторов должна поддерживать постоянную скорость вращения - резко увеличивает момент инерции винта, что приводит не только к большим потерям при получении полезной энергии, но и к большому увеличению момента страгивания для начала вращения, сдвигая области эксплуатаци в районы сильных ветров; не говоря уже значительном усложнении и снижении надежности конструкции;
- ориентация по ветру осуществляется электроникой, предлагаемая система ориентации очень сложна и энергозатратная.
Сущность изобретения.
Задачей изобретения является разработка такой модульной ветроэнергетической установки и 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, ветроэнергетические модули должны обладать меньшими габаритами и повышенной надежностью в работе.
Согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей основание, промежуточную опору, вертикальную силовую конструкцию, с установленными модулями ветрогенераторов, оборудование для накопления электроэнергии, управления и распределения,
модули ветрогенераторов установлены на консолях горизонтальных площадок, закрепленных на вертикальной силовой раме при этом, каждый модуль установлен подвижно-поворотно на подшипниковых опорах и снабжен рулевым системам стабилизации по воздушному потоку.
Кроме того, в модуле ветрогенератора, содержащем корпус, энергоагрегат, установленный в корпусе и имеющий воздушную турбину, механически связанную с генератором, включающем статор и ротор, при этом корпус выполнен с входным конфузором и выходным диффузором, и снабжен внешним эжектирующим устройством, выполненным в виде охватывающей корпус оболочки, снабженный вторым внешним входным конфузором и вторым внешним выходным диффузором, корпус выполнен в виде кольца, состоящего из внешней и внутренней кольцевых оболочек соединенных между собой радиальными стойками и образующих внутренний кольцевой проточный канал с расположенной в нем турбиной, при этом, диск турбины, статор и ротор генератора выполнены в виде колец, а наружный контур внутренней оболочки корпуса выполнен образующим проточный канал, в котором установлен обтекатель, образующий с проточным каналом внутреннее дополнительное эжектирующее устройство.
Такое выполнение ветроэнергетической установки и модуля ветрогенератора позволяет повысить их эффективность, обеспечить максимально эффективное преобразование энергии воздушного потока в электрическую, уменьшить габариты, повысить надежность.
Перечень фигур на чертежах.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:
- Фиг.1 - показывает общий вид высокоэффективной ветроэнергетической установки, выполненной в соответствии с изобретением;
- Фиг.2 - показывает конструкцию модуля ветрогенератора в продольном разрезе;
- Фиг.3 - показывает узел А Фиг.2;
- Фиг.4 - показывает схему работы ветрогенератора.
Осуществление изобретения.
Предлагаемая конструкция установки, представленной на фиг.1, состоит из опоры основания поз.1, вертикальной силовой рамы поз.2, промежуточной опоры поз.3 с технологическим помещением для техобслуживания модулей ветрогенераторов, технологической площадки поз.4, системы подвесных консолей поз.5, модулей ветрогенераторов поз.6, подшипниковых опор поз.7, узлов крепления модулей ветрогенераторов поз.8, рулевых систем стабилизации по воздушному потоку поз.9, аккумуляторной станции поз.10, вспомогательного технологического крана поз.11, вспомогательных тросов крепления поз.12.
Установка работает следующим образом. Воздушный поток движется направленным вертикальным фронтом на установку. 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. Благодаря рулевым системам стабилизации по воздушному потоку поз.9 и подшипниковым опорам поз.7, модули ветрогенераторов поз.6, закрепленные на подвесных консолях поз.5, разворачиваются навстречу дующему потоку ветра, в строго осевом соответствии градиенту течения воздушного потока, сеч. А-А, фиг.1. Таким образом, обеспечивается максимальная эффективность процесса преобразования энергии ветра в электрическую. Крепеж каждого модуля ветрогенератора поз.6 к подвесным консолям поз.5 осуществляется благодаря узлам крепления модулей ветрогенераторов поз.8. Подвесные консоли поз.5 равномерно закреплены на вертикальной силовой раме поз.2. Энергия, производимая всеми модулями ветрогенераторов по всей высоте башни, поступает в индивидуальную, аккумулирующую станцию поз.10, 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, 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 модулей ветрогенераторов поз.6, фиг.1, по всей высоте башни, и дальнейшей установкой необходимого количества башен.
Технологическая площадка поз.4 предназначена для быстрой смены готовых модулей, а также предварительного контроля состояния и оценки дальнейшей работоспособности снятого модуля. Для быстрой смены модулей применяется вспомогательный технологический кран поз.11.
Для полной разборки подшипниковых опор поз.7 и замены подшипников в модулях ветрогенераторов поз.6 используется технологическое помещение в промежуточной опоре поз.3. Нахождение технологического помещения на определенной высоте снижает уровень запыленности помещения. Доставка модулей ветрогенераторов поз.6 на ремонт также осуществляется с помощью вспомогательного технологического крана поз.11. Профилактика и техническое обслуживание модулей ветрогенераторов необходимо также и в случае применения бесконтактных подшипников на базе сильных постоянных магнитов, так как, с течением времени, происходит снижение магнитных свойств неодимовых магнитов. Главная выгода в применении таких подшипников - бесшумность работы, минимальные потери механической мощности и отсутствие смазки.
Для дополнительной устойчивости энергетическая установка фиксируется тросами крепления поз.12, фиг.1.
В соответствии с изобретением модуль ветрогенератора содержит корпус, энергоагрегат, установленный в корпусе и имеющий воздушную турбину, механически связанную с генератором, включающем статор и ротор. Корпус выполнен с входным конфузором и выходным диффузором, и снабжен внешним эжектирующим устройством, выполненным в виде охватывающей корпус оболочки, снабженный вторым внешним входным конфузором и вторым внешним выходным диффузором,
Кроме того, корпус выполнен в виде кольца, состоящего из внешней и внутренней кольцевых оболочек соединенных между собой радиальными стойками и образующих внутренний кольцевой проточный канал с расположенной в нем турбиной, при этом, диск турбины, статор и ротор генератора выполнены в виде колец, а наружный контур внутренней оболочки корпуса выполнен образующим проточный канал, в котором установлен обтекатель, образующий с проточным каналом внутреннее дополнительное эжектирующее устройство.
Конструкция модуля ветрогенератора, фиг.2,4, состоит из корпуса (турбины), энергоагрегата поз.17, 45, 46, воздушной турбины поз.39, 42, 43 механически связанной с генератором, включающем статор поз.45,46 и ротор поз.17. Корпус состоит из внешней и внутренней кольцевых оболочек поз.23, 24, соединенных между собой радиальными стойками поз.54, обеспечивающих формирование входного конфузора поз.18 и выходного конфузора поз.19, формируемых кольцевыми оболочками поз.31, 32, 33, 34; корпус снабжен внешним эжектирующим устройством, выполненным в виде, охватывающих корпус, оболочек поз.62, 63, 64, 65; образующих проточный канал, фиг.4 поз.20, состоящий из второго внешнего входного конфузора поз.21 и второго внешнего выходного диффузора поз.22. Корпус также имеет дополнительное внутренне эжектирующее устройство, образованное наружным контуром внутренней оболочки поз.24, формирующим еще один проточный канал, фиг.4 поз.30, и обтекателем поз.29, 70 установленным внутри этого проточного канала. Внешняя и внутренняя кольцевые оболочки корпуса поз.23, 24, соединенные между собой радиальными стойками поз.54, образуют внутренний кольцевой проточный канал (турбины), фиг.4 поз.26, внутри которого располагается воздушная турбина поз.39, 42, 43; при этом диск турбины поз.39, статор генератора поз.45, 46 и ротор генератора поз.17 выполнены в виде кольца.
Внутренний обтекатель, состоящий из кока поз.29, силового кольца поз.69, хвостовика поз.70 соединяется с внешним эжектирующим устройством посредством силовых стоек поз.68 и крепежа поз.67. Корпус (турбины) соединяется с внешним эжектирующим устройством с помощью силовых стоек поз.60 и крепежа поз.61. Внешнее эжектирующее устройство имеет элементы жесткости поз.66, расположенные равномерно в радиальном направлении. Основное назначение силового кольца поз.69 заключается в строгой фиксации обтекателем осевого направления течении потока, сохранении четких границ площадей сечений потоков, участвующих в процессе эжекции.
Система стабилизации модуля ветрогенератора по воздушному потоку, поворотные опоры и элементы крепежа к несущим опорам на принципиальной схеме не показаны.
Воздушная турбина фиг.3, расположенная внутри корпуса, состоит из диска турбины поз.39, выполненного в виде кольца, лопаток турбины поз.42, с вкладышем поз.43, крепежа лопаток поз.40, 41; воздушная турбина механически соединена с генератором, состоящим из ротора генератора поз.17, и статора, состоящего из сердечника поз.46, обмотки поз.45, корпусных кольцевых оболочек поз.49, 50, крепежа поз.47. Обмотки поз.45 располагаются между элементами крепежа поз.47. Ротор генератора поз.17 соединен с диском турбины поз.39 с помощью крепежа поз.44. Ротор генератора представляет собой диск, на котором, в осевом направлении, соответственно геометрии кривизны поверхности, равномерно наклеены постоянные магниты на неодимовой основе. Воздушная турбина, фиг.3, устанавливается на силовой корпус поз.35, выполненный в виде кольца, и соединенный с переходным фланцем поз.48, с корпусными кольцами генератора поз.49, 50, с двумя кольцевыми оболочками поз.32, 33, и с лопатками соплового аппарата поз.5 4. Для установки турбины, на силовом корпусе поз.35, равномерно в радиальном направлении, смонтировано 6 валов поз.36, на которых закреплены подшипники поз.37, и на которые, непосредственно, установлен диск турбины поз.39; и 3 радиальных вала поз.38, на которых также установлены подшипники поз.37, предотвращающие заклинивание турбины в процессе работы. С помощью крепежа поз.57 лопатки соплового аппарата поз.54, являющиеся также силовыми стойками, соединяются с корпусным кольцом поз.55, и с корпусным кольцом поз.53. С помощью корпусного кольца поз.55 осуществляется монтаж кольцевой оболочки поз.32. Корпусное кольцо поз.53 при помощи крепежа поз.51 соединяется с переходным фланцем поз.48, на котором установлен статор генератора с помощью крепежа поз.56. С помощью крепежа поз.52 соединяется силовой корпус турбины поз.35 и переходный фланец поз.48 с закрепленным на нем статором генератора и лопатками соплового аппарата поз.54.
Основные каналы течения потоков, фиг.2, 4:
- внутренний кольцевой проточный канал турбины поз.26, состоящий из конфузора поз.18 и диффузора поз.19, образованный между внешней кольцевой оболочкой корпуса турбины поз.23 и внутренней кольцевой оболочкой корпуса турбины поз.24;
- внешний эжектирующий канал (устройство) поз.20, состоящий из конфузора поз.21, образованного внешней охватывающей оболочкой поз.62 и внешней кольцевой оболочкой корпуса турбины поз.23, 31, и диффузора поз.22, образованного внешней охватывающей оболочкой поз.65 и кольцевой оболочкой хвостовика поз.70, являющегося также общим выпускным каналом для всех потоков, проходящих через модуль ветрогенератора;
- внутренний эжектирующий канал (устройство) поз.30, состоящий из конфузора поз.28, образованного внутренней кольцевой оболочкой корпуса турбины поз.24,34 и коком поз.29, и диффузора поз.22, образованного внешней охватывающей оболочкой поз.6 5 и кольцевой оболочкой хвостовика поз.70.
Стабилизатор напряжения (не показан) выполнен в виде внешнего выносного блока; силовая проводка (не показана) выводится через стойки в отдельный блок на внешней оболочке несущего корпуса и коммутируется параллельно с общей сетью станции.
Модуль энергетической установки работает следующим образом, фиг.4. Воздушный поток движется в осевом направлении к корпусу турбины, сформированному внешней и внутренней кольцевыми оболочками поз.23 и 24, формируемых кольцевыми оболочками поз.31, 32, 33, 34 фиг.4, благодаря которому поток делится сначала на два потока - линии тока "b-b" и "с-с", а затем, достигая несущего корпуса - на три потока: линии тока "а-а", "b-b" и "с-с". Первоначально, входящий поток попадает непосредственно в сужающийся входной канал осевой турбины, конфузор поз.18, формируемый кольцевыми оболочками поз.32, 33 - линия тока "b-b", и во внутренний канал поз.27, почти постоянного сечения, формируемый кольцевой оболочкой поз.34 - линия тока "с-с". Сужающийся входной канал "b-b" осевой турбины, конфузор поз.18 спрофилирован таким образом, чтобы максимально снизить потери, связанные с разгоном потока. Поэтому, течение потока в канале осевой турбины прямолинейно, не имеет пространственных изгибов, длина канала минимальна. После прохождения потока через осевую турбину и совершения работы, появляется значительная окружная составляющая скорость вращения потока и снижается осевая скорость. Наличие значительной окружной составляющей потока может сильно препятствовать эффекту эжекции, т.к. вследствие ее влияния в эжектирующем потоке также появится вторичная окружная составляющая, которая в свою очередь будет также снижать осевую скорость эжектирующего потока, что в конечном итоге приведет к серьезному ухудшению эффекта эжекции. Поэтому с целью резкого снижения величины окружной составляющей, а также обеспечения лучших условий течения для отвода отработавшего потока после осевой турбины, выходной канал осевой турбины, диффузор поз.19, формируемый кольцевыми оболочками поз.58, 59 выполнен расширяющимся до немного большего сечения, чем первоначальное, входящее сечение конфузора поз.18. Теперь в выходном сечении, соответствующем точке поз.73, скорость потока имеет близкую, к первоначальной, осевую скорость течения и ощутимо меньшую окружную скорость вращения.
В этом же сечении, но в точках, соответствующим поз.72, потоки текущие во внутреннем эжектирующем канале "с-с" поз.30, формируемом кольцевой оболочкой поз.34 и поверхностью кока поз.29, ускоренные в конфузоре поз.28, и во внешнем эжектирующем канале "а-а" поз.20, формируемом кольцевыми оболочками поз.31 и 62, ускоренный в конфузоре поз.21, с одинаковой, но вдвое большой осевой скоростью, чем поток "b-b", обеспечивают равномерное падение статического давления -ΔР поз.72, создавая эффект разрежения; соответствующие диаграммы изменений давлений +ΔР/-ΔР линий течения потоков "а-а", "b-b", "с-с", расположенные под основной схемой, фиг.4. Статическое давление потока "b-b", прошедшего турбину в точке поз.73, и вернувшегося к исходным параметрам до входа в установку, больше, +ΔР. Возникает разность давлений, благодаря которой образуется область образования эжекции, показанная на диаграмме на фиг.4, в результате которой поток "b-b", прошедший осевую турбину начинает расширяться в сторону внутреннего "с-с" и внешнего эжектирующих каналов "а-а" каналов, создавая таким образом, пониженное давление за турбиной, и обеспечивая условия для более эффективной работы турбины. Течение эжектирующих потоков во внутреннем "с-с" и внешнем "а-а" каналах, обеспечивающих разгон, происходит на минимальной длине, с минимальными потерями.
Таким образом, в полезной работе, совершаемой осевой турбиной, участвует весь поток, проходящий через общее, суммарное входное сечение. Благодаря этому, эффективность работы энергетической установки существенно возрастает. Далее, все потоки, смешиваясь, выравнивая температуру и скорость течения, по общему выходному каналу, диффузору поз.22, формируемым оболочками поз.65, 70, выходят снова в окружающую среду.
Несмотря на то, что принцип действия предлагаемого модуля ветрогенератора, заключающйся в применении двойного воздействия воздушного потока на турбину - динамическое давление ускоренного потока на входе в турбину и создание разрежения в выходном канале турбины, с целью снижения сопротивления течения потока после выхода из турбины, известен достаточно давно, в предлагаемой конструкции существует одно главное, принципиальное, отличие от существующих прототипов, фиг.4.
Таким главным отличием является турбина, в которой нет традиционного диска, а эквивалентом диска является тонкое, но жесткое кольцо, на котором установлены лопатки воздушной турбины. При этом освобождается внутреннее пространство, которое можно использовать для эжектирующего канала, сделав установку более компактной. Принципиальное значение имеет и то, что такая турбина имеет минимальный момент инерции.
Кроме этого, есть еще ряд принципиальных отличий от уже существующих конструкций.
Первое отличие заключается в том, что для того, чтобы максимально сократить нежелательное трение потоков о стенки проточных каналов, все проточные каналы имеют минимальную длину и прямолинейные, чтобы обеспечить прямолинейность течения потоков, и исключить пространственные изгибы.
Второе принципиальное отличие заключается в том, что поскольку потоки ветра - это преимущественно низкоскоростные течения, то для того, чтобы получить приемлемые параметры напряжения (величина которого прямо зависит от частоты вращения), максимальная линейная скорость вращения (рабочие частоты вращения турбин), сопоставима с осевой скоростью течения ветрового потока. Тогда не придется создавать огромные, еле вращающиеся рабочие колеса, для которых потом, неизбежно, придется применять сложные и шумные мультипликаторы.
Третьим принципиальным отличием, в отличие от традиционных винтов, является то, что с ростом скорости ветра мощность турбин 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 факт находит отражение во всех технических паспортах серьезных фирм, производящих винтовые ветрогенераторы, которые доступны для прочтения в Интернете.
Четвертое принципиальное отличие заключается в модульном принципе достижения необходимого уровня заданной мощности, что существенно расширяет возможности применения, эксплуатации установок. Благодаря модульному принципу, вокруг несущей опоры по всей высоте расположена система ветрогенераторов, преобразующая энергию ветра в полезную электроэнергию по всей высоте энергетической установки, в то время как во всех, серийно выпускаемых конструкциях ветрогенераторов, несущая опора несет только один генератор на определенной высоте, и не преобразует энергию воздушного потока в полезную энергию по всей высоте.
Пятым принципиальным отличием, в отличие от традиционных винтов, является то, что при соединении модулей в башню, возможно построение башни существенно большей высоты, поскольку вся башня равномерно воспринимает давление потока ветра 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.
Шестым принципиальным отличием, является то, что благодаря модульному принципу построения предлагаемой установки, 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 модули ветрогенераторов, 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:
- высокая эффективность работы воздушного потока, охватывающего общее суммарное сечение на входе, достигается благодаря оптимальной, постоянно создаваемой разности динамических давлений воздушных потоков - между потоком, проходящем через турбину и между потоками обеспечивающих разрежение после турбины;
- обеспечивается максимально эффективное преобразование энергии воздушного потока в электрическую с помощью турбин, в отличие от больших воздушных винтов, благодаря большей однородности течения воздушного потока, поскольку области контакта воздушного потока, создающие крутящий момент, находятся на близких радиусах, с подобными линейными скоростями, и имеют более простую картину течения, чем традиционная закрутка лопастей больших винтов, линейная скорость вращения которых в центре - почти ноль, а на концах - практически сверхзвуковая. Применяемые турбины проще в расчетах и в серийном изготовлении, в отличие от больших лопастей воздушных винтов большого диаметра;
- обеспечивается оптимальное сочетание линейной скорости вращения и входящей осевой скорости потока, прошедшего сужающийся сопловой аппарат, с учетом радиуса турбины;
- минимальная величина потерь, связанных с разворотом потока в сопловой аппарат центростремительной турбины достигается оптимальным сочетанием геометрических характеристик входного канала;
- 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;
- отсутствие мультипликаторов благодаря бесконтактной схеме электрогенератора и отсутствие, соответственно, проблем связанных с эксплуатацией и дополнительным шумом;
- расположение турбин во внутренней области конструкции обеспечивает бесшумность работы и 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;
- предлагаемые технические решения позволяет эффективно работать также и в водной среде, без возведения дорогостоящих плотин.
Предполагаемый коэффициент использования энергии ветра, который можно достигнуть, находится получить в пределах 0,54 при номинальных скоростях ветра в пределах 7-8 м/с; минимальная стартовая скорость ветра -от 3 м/с.
Для создания высокоэффективных, бесшумно работающих ветроэнергетических установок с постоянным перепадом динамических давлений воздушных потоков, модульного типа, любой мощности, работающих в самых жестких условиях, в течение самого длительного времени и самых минимальных эксплуатационных затратах, есть все необходимые материалы и производственные технологии.
Источники информации
1. Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо. - М.: Энергоатомиздат, 1982, с.81-96.
2. Патент Японии 62-11190, кл. F03D 1/00, 1987.
3. Патент РФ №2 124142 С1, кл. 6 F03D 1/04.
4. Описание изобретения №2231679 С2, МПК кл. F03D 1/04, F03D 9/02.
5. Поисковая система google.ru, запросы «ветроэнергетические установки», «ветрогенераторы», «ветроэнергетика», «картинки ветрогенераторов», breezex.ru, rosinnm.ru, enecsis.ru, vetrokompozit.tiu.ru.