Способ преобразования ветровой энергии в электрическую большой мощности

 

Изобретение относится к энергетике и, в частности, к ветровым генераторам электрического тока. Ряд аэродинамических винтов или осевых лопастных устройств соединяют с горизонтально расположенными валами, которые жестко через кинематические соединения устанавливают в единую пространственно протяженную линию, и тем самым образуют ветровую плотину, при этом к последнему валу такой линии подключают повышающий редуктор, к которому присоединяют генератор переменного тока повы-шенной мощности. Технический результат изобретения - возможность получения промышленного тока от ветровых установок. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к энергетике, в частности, к ветровым генераторам электрического тока.

Известно устройство ветрового генератора электрического тока (авт. св. СССР N 1333821, кл. F 03 D 1/02, 1987), основой которого является аэродинамический винт, приводимый во вращение напором ветра, соединенный с электрическим генератором постоянного тока.

Известно также устройство мощного гидрогенератора (Вольдек А.И., Электрические машины, М.: Энергия, 1978, с. 371), содержащее горизонтальный вал, сочлененный с мощным синхронным электрическим генератором и с гидротурбиной.

Отличительной особенностью первого устройства является постоянство передаваемого момента от винта и его независимость от скорости вращения при неизменной скорости набегающего потока.

Конструктивное ограничение размеров винта, проявление сил трений в механических узлах и электрические потери в известных вариантах устройств уменьшают коэффициент их полезного действия и мощности, снимаемой с них электроэнергии в пределах до 5 - 60 кВт.

Параллельное включение пространственно рассредоточенной системы типовых генераторов ветровой энергии с целью получения большой суммарной мощности наталкивается на проблемы согласования большего числа отдельных генераторов постоянного тока по равномерности их нагрузки, а также на проблемы передачи постоянных токов большой силы по проводам до промышленных потребителей.

Кроме того, подавляющая часть промышленного электрического оборудования и машин ориентирована на стандартные уровни переменных токов частоты 50 Гц или 60 Гц. Исходя из этого, попытка получить на основе первично маломощных ветровых генераторов постоянного тока переменный (более мощный ток) приводит к необходимости введения вторичных преобразователей частоты. Последнее качественно и по оборудованию и конструктивно усложняет всю систему электроснабжения от ветровых генераторов, делая их пригодными в большинстве случаев для маломощных потребителей.

В основу преобразования ветровой энергии в электрическую можно прямо положить использование генераторов переменного тока. Но в этом случае при объединении их большого количества в единую энергосистему необходимо преодолеть сложности суммирования некогерентных и несинфазных периодических процессов.

Самой главной проблемой подключения к вращающимся винтам генераторов переменного тока относительно небольшой мощности является непростота введения повышающих редукторов в тех случаях, когда требуются скорости оборотов до 60 - 3000 об/мин.

В этом случае моменты трений и вредные моменты возможной разбалансировки вращающихся масс, приведенные к валу от винта, усиливаются во много раз в строгом соответствии с коэффициентом Кр вводимой редукции, что прямо приводит к ухудшению во столько раз КПД все системы.

В варианте устройства гидрогенератора 3000 об/мин достигаются непосредственно за счет вращения турбины большим напором водного потока, плотность и энергия которого примерно в 1000 раз больше плотности и энергии воздушных потоков при равных скоростях струйных течений в них.

При указанных соотношениях использовать решения, пригодные для гидрогенераторов, делается невозможным для ветровых установок хотя общие механизмы гидродинамики для них являются одинаковыми.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков в части технических проблем получения промышленного тока от ветровых установок.

Поставленная цель достигается тем, что ряд аэродинамических винтов или цилиндрических лопастных устройств соединяют с горизонтально расположенными валами, которые жестко через ременные, шестеренчатые, карданные или муфтовые соединения устанавливают в единую, пространственно протяженную линию, и тем самым образуют своеобразную ветровую плотину, при этом к последнему валу такой линии подключают повышающий редуктор, к которому присоединяют генератор переменного тока повышенной мощности.

Устройство для реализации способа преобразования ветровой энергии в электрическую большой мощности отличается тем, что ряд аэродинамических винтов или лопастных цилиндрических преобразователей соединен с горизонтальными валами, установленными в подшипниках на опорах, при этом горизонтальные валы через жесткую связь последовательно вдоль единой протяженной линии подключены друг к другу, причем к конечному валу такой последовательности подключен повышающий редуктор, который в свою очередь соединен с генератором переменного тока повышенной мощности, а на опорах установлены формующие и направляющие ветровой поток экраны.

На фиг. 1 и 2 показано устройство, реализующее способ преобразования ветровой энергии в электрическую большой мощности; на фиг. 3 и 4 вариант с лопастными первичными преобразователями ветровой энергии в механическое вращение горизонтального вала; на фиг. 5 - устройство аккумулирования энергии.

Устройства включают преобразователи ветровой энергии модульной конструкции 1, первичные ветровые преобразователи 2 и 3, горизонтальные валы 4, шестеренчатые зацепления 5, узлы кинематического соединения валов 6, повышающий редуктор 7, генератор переменного тока 8, опоры 9, экраны 10, направляющие экраны 11 и 12.

Основу изобретения (фиг. 1 и 2) составляет последовательность первичных преобразователей ветровой энергии 1 модульного типа на базе аэродинамических винтов 2, приводящих во вращение горизонтальные валы 4 через шестеренчатые зацепления 5.

Эта последовательность устанавливается по протяженной линии любого профиля с учетом естественного рельефа поперек пути наиболее вероятного направления ветровых потоков, движущихся с усредненной скоростью .

Каждый последующий преобразователь механически сопрягается с предыдущим через жесткие кинематические соединения 6 либо шестеренчатого, либо клиноременного, либо иного типа. включая карданные и муфтовые соединения.

Таким образом, момент М_Bi, передаваемый от каждого первичного преобразователя ветровой энергии, последовательно усиливается и на конечном валу становится равным: На конце последнего вала 4 (фиг. 1) подключен повышающий редуктор 7, по выходу прямо связанный с мощным генератором переменного тока 8.

Установленная на опорах 9 (фиг. 3) система раздельных маломощных преобразователей ветровой энергии приводит к тому, что вся энергия механически интегрируется по площади вдоль своеобразной протяженной ветровой плотины и преобразуется в электрическую единственным более мощным генератором переменного тока 8.

Фиг. 4 и 3 поясняют другую разновидность рассматриваемого решения. Здесь вместо винтов используются осевые лопастные преобразователи 3. Эти преобразователи снабжены экранами 10, закрывающими часть лопастей от ветрового напора для создания вращающего момента. С целью управления набегающими потоками воздуха лопастные преобразователи снабжены боковыми направляющими экранами 11 и 12.

Особенность представленных технических решений сводится к тому, что введение повышающего редуктора 7 с целью получения тока необходимой частоты с некоторого критического числа последовательно соединенных первичных преобразователей ветровой энергии не влияет на уменьшение КПД всей системы.

Можно показать, что момент от сил трения М_г, приведенный к валу генератора 8, составляет величину: где P_н - мощность генератора в номинальном режиме работы; η_г - относительная величина потерь от сил трений в генераторе тока; n_г - количество оборотов вала генератора тока в минуту; K_р - коэффициент передачи повышающего редуктора.

Тогда при требуемой эффективности преобразования ветровой энергии в электрическую с нужным коэффициентом потерь μ_доп допустимый момент на валу генератора будет ограничен условием:
Из (3) следует оценка минимальной мощности P_{в min} на валу системы первичных ветровых преобразователей, после которой целесообразно установить повышающий редуктор, подключенный к генератору переменного тока 8, в виде:

где
n_в - число оборотов вала в мин до редуктора.

Критическое минимальное количество последовательно соединенных типовых модулей первичных ветровых преобразований, способных сформировать энергетическую систему промышленной мощности, составит:

где
P - мощность на валах первичных преобразователей ветровой энергии.

Таким образом, начиная с некоторого критического числа последовательно соединяемых модульных установок, имеется возможность создать достаточно мощную энергетическую систему плотинного типа с требуемыми потерями, например в 1%.

Системы, соответствующие фиг. 1 - 4, представляется возможным дополнить устройством аккумулирования энергии и стабилизации мощности ее потребления на базе раскручиваемого массивного гироскопического ротора 14, например, с помощью высокооборотного асинхронного двигателя 15.

При этом вращательный момент от такого ротора через понижающий редуктор 16, цепь обратной связи 17 и узел суммирования моментов 18 вновь поступает на вход генератора 8, обеспечивая как стабилизацию оборотов его, так и подпитку накопленной механической энергии.

Представленная пространственно протяженная ветровая энергетическая система отличается экологической безопасностью и может устанавливаться в регионах стабильно действующих ветров, таких как открытые пространства морского побережья и степных районов, вдоль шоссейных и железных дорог, по склонам и хребтам невысоких гор и возвышенностей, подобных, например, районам г. Новороссийска и т.п.

Формула изобретения

1. Способ преобразования ветровой энергии в электрическую большой мощности, в котором приводят во вращение аэродинамические винты или лопастные цилиндрические преобразователи, а также соединяют их с генераторами переменного тока повышенной мощности, отличающийся тем, что ряд аэродинамических винтов или лопастных цилиндрических преобразователей соединяют с горизонтально расположенными валами, их числом, большим критической минимальной величины

где N_min - минимальная промышленная мощность последовательно соединенных типовых ветровых установок с горизонтальными валами;
M_г - момент сопротивления потерь, приведенный к валу генератора переменного тока;
К_р - коэффициент передачи повышающего редуктора;
n_B - число оборотов вала в 1 мин до редактора;
μ_доп - - допустимый коэффициент потерь;
P_i - мощность на валу отдельного лопастного цилиндрического преобразователя (ветрового преобразователя),
которые через жесткие кинематические соединения устанавливают в единую пространственно-протяженную линию, при этом к последнему валу такой линии подключают повышающий обороты редуктор, к которому присоединяют генератор переменного тока повышенной мощности.

2. Устройство для преобразования ветровой энергии в электрическую большой мощности, содержащее ряд аэродинамических винтов или лопастных цилиндрических преобразователей, а также генераторы переменного тока повышенной мощности, отличающееся тем, что ряд аэродинамических винтов или лопастных цилиндрических преобразователей соединен с горизонтальными валами, установленными в подшипниках на опорах, при этом горизонтальные валы через жесткую связь вдоль единой протяженной линии последовательно подключены друг к другу, причем к конечному валу такой последовательности присоединен повышающий редуктор, который, в свою очередь, соединен с генератором переменного тока повышенной мощности, а на опорах установлены формирующие и направляющие ветровой поток экраны.

3. Устройство по п. 2, отличающeeся тем, что оно выполнено в виде последовательности соединений узла суммирования моментов, генератора переменного тока, гироузла с быстровращающимся массивным ротором и понижающего редуктора, который по цепи обратной связи подключен к узлу суммирования моментов, другим входом которого является выход повышающего редуктора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5