Ветроэлектрическая установка

(51)03 1/00, 7/04 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Сычик Василий Андреевич(72) Авторы Сычик Василий Андреевич Сычик Людмила Николаевна Шамкалович Владимир Иванович(73) Патентообладатель Сычик Василий Андреевич(57) Ветроэлектрическая установка, содержащая корпус, выполненный в виде вертикальной вытяжной башни, центральный вал, два ветроколеса, жестко установленных на центральном валу, электрогенератор, устройство разворота вытяжной башни, отличающаяся тем, что вытяжная башня содержит воздухозаборник и выходной конфузор, выполненный в форме тела вращения с образующей в виде экспоненты и с расширением книзу, на выходном конфузоре которой размещено первое ветроколесо, второе ветроколесо размещено в зоне максимального напора воздушного потока, воздухозаборник выполнен в виде 8103 1 2006.06.30 полуцилиндра вытяжной башни в ее основании с проушинами, образующими с горизонтальной осью вытяжной башни угол 45, в проемах которых размещены выдвижные воздухоулавливатели в виде плоских листов, при этом на вытяжной башне смонтирована станина, содержащая блок управления, выполненный с возможностью управления разворотом башни и выдвижением воздухоулавливателей, ступенчатый редуктор, главным валом которого является центральный вал, связанный зубчатой передачей с валом электрогенератора. Изобретение относится к ветроэнергетике и предназначено для использования в качестве источника возобновляемой энергии ветра. Известна ветроэлектрическая установка, описанная в патенте России 1. Она содержит ветроколесо с криволинейными лопастями, расположенными на валу, неподвижный экран, выполняющий одновременно роль корпуса установки и щитов, служащих крышей и стойками, использующих роль раструбов. Ветроэнергетическая установка такого типа обладает, однако, невысокой надежностью работы и низким КПД. В 2 рассмотрена ветроэлектрическая установка, которая содержит цилиндрический корпус со входным конфузором, расположенные в нем ветроколеса, закрепленные на параллельных валах, связанных с генератором. Установка снабжена дополнительными ветроколесами с лопатками, закрепленными на дополнительных валах, причем валы кинематически связаны между собой и расположены в плоскости, перпендикулярной оси корпуса. Эта ветроэнергетическая установка обладает сложной конструкцией, невысокой надежностью в работе и низким КПД. Прототипом предлагаемого изобретения является ветроэлектрическая установка, описанная в 3. Она содержит корпус в виде вертикальной вытяжной башни с выходным отверстием, в нижней части которой размещен воздуховод. На его выходе закреплен направляющий аппарат, на валу которого снаружи воздуховода свободно закреплено ветроколесо. На валу электрогенератора установлено ветроколесо с возможностью аэродинамического взаимодействия со свободнозакрепленным ветроколесом. Ветроэнергетическая установка также содержит устройство разворота вытяжной башни. Недостатками ветроэлектрической установки-прототипа являются а) в нижней части полости вертикальной вытяжной башни с выходным отверстием размещен воздуховод, что не обеспечивает перепад давления и повышение скорости ветряного потока в зоне размещения ветроколеса электрогенератора, а также существенно снижает результирующий механический момент на валу ветроэлектрической установки и ее КПД б) ветроколесо, свободно закрепленное на валу направляющего аппарата, связано с ветроколесом электрогенератора не непосредственно или через редуктор, а путем аэродинамического взаимодействия, в результате чего КПД и коэффициент использования энергии ветра являются невысокими в) из-за отсутствия редуктора при малых ветронагрузках значительно снижается рабочая частота генерируемой ЭДС, причем величина ЭДС нестабильна и зависит от напора ветра. Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента использования энергии ветра и коэффициента полезного действия. Поставленная задача достигается тем, что в ветроэлектрической установке, содержащей корпус, выполненный в виде вертикальной вытяжной башни, центральный вал, два ветроколеса, жестко установленных на центральном валу, электрогенератор, устройство разворота вытяжной башни, вытяжная башня содержит воздухозаборник и выходной конфузор, выполненный в форме тела вращения с образующей в виде экспоненты и с расши 2 8103 1 2006.06.30 рением книзу, на выходном конфузоре которой размещено первое ветроколесо, второе ветроколесо размещено в зоне максимального напора воздушного потока, воздухозаборник выполнен в виде полуцилиндра вытяжной башни в ее основании с проушинами, образующими с горизонтальной осью вытяжной башни угол 45, в проемах которых размещены выдвижные воздухоулавливатели в виде плоских листов, при этом на вытяжной башне смонтирована станина, содержащая блок управления, выполненный с возможностью управления разворотом башни и выдвижением воздухоулавливателей, ступенчатый редуктор, главным валом которого является центральный вал, связанный зубчатой передачей с валом электрогенератора. Сущность изобретения поясняет чертеж, где на фиг. 1 изображен главный вид электростанции в разрезе, а на фиг. 2 - разрез основания по линии воздухозаборника. Ветроэлектрическая установка содержит корпус, выполненный в виде вертикальной вытяжной башни 1 с воздухозаборником 2, станину 3, установленную на вытяжной башне 1. На станине 3 размещен центральный вал 4 установки, установленный горизонтально на подшипниках 5 станины 3, на котором со стороны выходного конфузора 6 вытяжной башни 1 установлено первое многолопастное ветроколесо 7, а с обратной стороны - второе ветроколесо 8. На станине 3 также размещены ступенчатый редуктор 9, насаженный на центральный вал 4, электрогенератор 10, связанный со ступенчатым редуктором 8 зубчатой передачей, и блок управления 11. Вытяжная башня 1 основанием установлена на устройстве разворота башни 12. Вытяжная башня 1 выполнена из стали, содержит воздухозаборник 2 с выходным конфузором 6, причем башня выполнена в форме тела вращения с образующей в виде экспоненты с расширением книзу. Такая форма внутреннего воздухопровода башни, как показали результаты расчета и эксперимента, имеет минимальное сопротивление движущемуся воздуху и максимальную его скорость на выходном конфузоре 6, то есть в зоне размещения первого ветроколеса 7. Вытяжная башня 1 основанием установлена на устройстве разворота башни 12 и с помощью блока управления 11 ориентируется воздухозаборником 2 по направлению ветра. Воздухозаборник 2 представляет, как показано на фиг. 2, полуцилиндр вытяжной башни 1 в ее основании с проушинами 13, смещенными под углом 45 к горизонтальной оси вытяжной башни 1, в проемах которых размещены выдвижные воздухоулавливатели 14 в виде плоских стальных прямоугольных листов с закруглениями на конце, движение которых в проемах проушин 13 осуществляется электроприводом (на фиг. не показано), регулируемым блоком управления 11. На верхней части башни 1, в ее горловине, установлена станина 3 с противовесом, повышение прочности крепления которой к башне 1 осуществляется металлическими стержнями. Станина 3 ветроэлектрической установки выполнена из стали и является несущей конструкцией, на которой установлены центральный вал 4 в горизонтальном положении, ступенчатый редуктор 9, электрогенератор 10 и блок управления 11. На станине 3 размещены подшипники 5 центрального вала 4. На конце центрального вала 4 со стороны воздействия воздушного потока, выходящего из выходного конфузора 6, жестко установлено первое ветроколесо 7, выполненное многолопастным или геликоидным, на обратном конце центрального вала 4 жестко установлено второе ветроколесо 8, также выполненное геликоидным или многолопастным. Электрогенератор 10 - это трехфазный генератор с неподвижным статором и вращающимся ротором, мощность которого определяется размерами ветроколес, минимальной скоростью ветра, высотой вытяжной башни 1, то есть воздушным напором и находится в пределах 100 кВт - 1 МВт. Его вал посредством зубчатой передачи связан со ступенчатым редуктором 9, коэффициент передачи которого может ступенями изменяться в широком интервале, например от 4 до 100 и более. Главным валом ступенчатого редуктора 9 является центральный вал 4, на концах которого закреплены ветроколеса 7 и 8. Блок управления 11 контролирует скорость вращения ветроколес 7, 8 и скорость ветра. При изменении скорости ветра, например уменьшении до минимального уровня, блок 3 8103 1 2006.06.30 управления 11 обеспечивает с помощью электропривода максимальное выдвижение воздухоулавливателей 14 и повышение подачи воздушного потока в воздухозаборник 2. При вариации скорости вращения ветроколес 7, 8 блок управления 11 изменяет коэффициент передачи ступенчатого редуктора 9, поддерживая оптимальной скорость вращениягенератора и его ЭДС(1) Е,где- магнитопотокосцепление генератора. Блок управления 11 также управляет устройством разворота башни 12 и обеспечивает разворот воздухозаборника 2 и ветроколес 7 и 8 по направлению ветра. Перепад давления в вытяжной башне 1 по ее высоте определяется из зависимости 0,где Р 0 - давление газа у основания вытяжной башни М - киломоль воздуха- высота башни, м К - постоянная Больцмана Т - температура в К- ускорение свободного падения. Скорость движения воздушного потока в выходном конфузоре 6 вытяжной башни 1 зависит от перепада давления и определяется из зависимости(3)1,731/ 2 ,где Р - давление воздуха- его удельный объем. С учетом (3) скорость воздушного потока при изменении давления в вытяжной башне на порядок приводит к повышению скорости воздушного потока более чем в три раза. Первое ветроколесо 7 выполнено многолопастным или геликоидным, и при его вращении от воздушного потока из выходного конфузора 6 в вытяжной башне 1 оно преобразует поступательный воздушный поток во вращательный. Второе ветроколесо 8 устанавливается в зоне максимального напора воздушного потока от действия воздушного потока от первого ветроколеса 7 и потока ветра на уровне станины 3. Расстояние между ветроколесами 7 и 8 по оси центрального вала в зоне максимального напора воздушного потока составляет 618 метров. Вытяжная башня 1 установлена на устройстве разворота башни 12, которое смонтировано на железобетонном фундаменте. Ветроэлектрическая установка работает следующим образом. Воздухозаборник 2 и ветроколеса 7, 8 с помощью устройства разворота башни 12 устанавливаются по направлению ветра. Воздухоулавливатели 14 выдвинуты на оптимальное расстояние, определяемое блоком управления 11. Засасываемый воздухозаборником 2 воздушный поток, вследствие экспоненциального сужения по вертикали сечения вытяжной башни 1 и перепада давлений воздуха у основания вытяжной башни 1 и у выходного конфузора 6, резко ускоряется и воздействует на первое ветроколесо 7, приводя во вращение центральный вал 4 и второе ветроколесо 8, на которое воздействует воздушный поток от первого ветроколеса 7 и действия ветровой нагрузки, причем на второе ветроколесо 8 действует максимальный воздушный напор этих двух потоков. Второе ветроколесо 8 усиливает вращение центрального вала 4, то есть обеспечивает повышение механического момента центрального вала 4, а следовательно и мощности электрогенератора 10 вследствие резкого повышения скорости всасываемого воздушного потока в вытяжной башне 1,то есть воздушного напора на колеса 7 и 8. Блок управления 11 обеспечивает поддержание номинальной частоты генерируемого напряжения в пределах 505 Гц путем регулирования коэффициента передачи ступенчатого редуктора 9 и уровня смещения воздухоулавливателей 14 воздухозаборника 2, и устанавливает воздухозаборник 2 и ветроколеса 7, 8 по направлению действия ветра. Важным преимуществом предложенной ветроэлектрической установки является снижение предельно минимальной скорости ветра до уровня 2 м/сек и ниже. Электроэнергия снимается в нагрузку с электрощита электрогенератора 10. 4 8103 1 2006.06.30 Создан лабораторный макет ветроэлектрической установки по представленной на фиг. 1 конфигурации, который, как показали результаты расчета и лабораторных испытаний, эффективно использует энергию ветра. Ветроэлектростанция, в которой высота вытяжной башни составляет 100 м, диаметр ее основания равен 30 м, рабочая длина лопасти первого ветроколеса типа геликоидного равна 3,5 м, длина дуги геликоиды 3 м, второе ветроколесо восьмилопастное с длиной лопасти 5 м при скорости ветра 1 м/с позволяет вырабатывать электроэнергию мощностью 250 кВт. Коэффициент использования энергии ветра и КПД ветроэлектрической установки более чем в 1,5 раза превышают указанные параметры ветроэлектростанций-аналогов. Промышленное освоение предлагаемого ветроэлектрического устройства возможно на предприятиях электроэнергетики и машиностроения. Источники информации 1. Патент России 1820025, МПК 03 3/04 // БИ 21, 1993. 2. Патент России 18154131, МПК 03 3/04 // БИ 18, 1993. 3. Патент России 2118701 С 1, МПК 03 1/04 // БИ 25, 1998. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5