Электрогазодинамическая ветростанция и ее секция

 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветроэнергоустановкам, содержащим электрогазодинамические ветроагрегаты. Технический результат, заключающийся в повышении КПД ветростанции, обеспечивается за счет того, что в электрогазодинамической ветростанции, содержащей комплексы электрогазодинамических ветроагрегатов, причем каждый ветроагрегат включает разъемный диэлектрический канал, на входе канала имеются коронирующие электроды, образующие положительные или отрицательные ионы с питанием от коллектора через преобразователь напряжения, на внутренней поверхности канала - поперечные электроды, внутри по осевой линии - секционированный конденсатор, стабилизирующий совместно с другими электродами поток ионов от рассеяния, согласно изобретению на наружной поверхности корпуса имеются электропроводящие покрытия с заземлением, ветроагрегаты скомплектованы в блоки, одноименные вводы и выводы электродов в блоках соединены параллельно, групповые вводы и выводы от каждого блока подведены к общему пульту управления и через соответствующие реле и другие элементы управления соединены с нагрузкой, при этом каждый блок заключен в обтекаемую раму из диэлектрика, все ветроагрегаты в раме закреплены обтекаемыми горизонтальными упорами и вертикальными стойками или в ячейках пластмассового каркаса, на поперечных основаниях рамы в центре симметрии укреплены оси, обеспечивающие вращение рам через несущие подшипники, приваренные к трубчатым стержням, подвешенным на тягах к несущим канатам, протянутым между опорными мачтами, в секции на канаты подвешивается несколько рядов рам, на одной из осей каждой рамы установлена небольшая шестерня с приводом от маломощного электромотора, смонтированного на трубчатом стержне, что позволяет регулировать угол поворота рамы, причем рамы с блоками подвешены на арочной облегченной ферме с одной стенкой из прутьев достаточной протяженности, обеспечивающей подвешивание между опорными мачтами большого количества рам с блоками ветроагрегатов, в 5-10 раз большего, чем при несущих канатах, устойчивость блока в каждой раме осуществляется диэлектрическим каркасом с ячейками, в которые устанавливаются с закреплением ветроагрегаты, несущие подшипники привариваются к нижнему поясу фермы, фермы могут быть установлены в несколько ярусов. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к ветроэнергоустановкам, содержащим электрогазодинамические ветроагрегаты.

Известна ветроэлектрическая установка бесперебойного питания, содержащая ветродвигатель с трехфазным генератором магнитоэлектрического типа, аккумуляторную батарею, выпрямитель, трансформатор, резистор, выпрямительный мост и управляющий электрод тиристора, соединенный через регулируемый резистор с его анодом (см. SU, 89855 4A, кл. F 03 D 9/02, 15.01.1982, 4 c.).

К недостаткам ветроэлектрической установки относятся низкая эффективность использования установки на режимах пуска и разгона, а также низкий КПД.

Известна ветроустановка, содержащая шарнирно установленный на неподвижной опоре центральный ствол, кронштейны, ветродвигатели с генераторами, устройство в виде тормозной колодки, связанной с защелкой, коммутатора с датчиком напряжения, соединенного с генераторами, и соленоида, механически связанного с защелкой и электрически с коммутатором (см. SU, 1451334 А1, кл. F 03 D 11/04, 15.01.1989, 3 с.) Недостатком ветроустановки является низкий КПД ветродвигателей.

Известна электрогазодинамическая ветростанция, содержащая комплексы электрогазодинамических ветроагрегатов, причем каждый ветроагрегат включает разъемный диэлектрический канал, на входе канала имеются коронирующие электроды, образующие положительные или отрицательные ионы с питанием от коллектора через преобразователь напряжения, на внутренней поверхности канала - поперечные электроды, внутри по осевой линии - секционированный конденсатор, стабилизирующий совместно с другими электродами поток ионов от рассеяния, принятая по совокупности существенных признаков за прототип (см. RU, 2114318C1, кл. F 03 D 9/02, 27.06.1998).

К недостаткам ветростанции относятся громоздкость конструкции, невысокий КПД электрогазодинамических ветроагрегатов.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании комплексных, мощных электрогазодинамических ветростанций больших размеров и мощности.

Технический результат, заключающийся в повышении КПД ветростанции, обеспечивается за счет того, что в электрогазодинамической ветростанции, содержащей комплексы электрогазодинамических ветроагрегатов, причем каждый ветроагрегат включает разъемный диэлектрический канал, на входе канала имеются коронирующие электроды, образующие положительные или отрицательные ионы с питанием от коллектора через преобразователь напряжения, на внутренней поверхности канала - поперечные электроды, внутри по осевой линии-секционированный конденсатор, стабилизирующий совместно с другими электродами поток ионов от рассеяния, согласно изобретению, на наружной поверхности корпуса имеются электропроводящие покрытия с заземлением, ветроагрегаты скомплектованы в блоки, одноименные вводы и выводы электродов в блоках соединены параллельно, групповые вводы и выводы от каждого блока подведены к общему пульту управления и через соответствующие реле и другие элементы управления соединены с нагрузкой, при этом каждый блок заключен в обтекаемую раму из диэлектрика, все ветроагрегаты в раме закреплены обтекаемыми горизонтальными упорами и вертикальными стойками или в ячейках пластмассового каркаса, на поперечных основаниях рамы в центре симметрии укреплены оси, обеспечивающие вращение рам через несущие подшипники, приваренные к трубчатым стержням, подвешенным на тягах к несущим канатам, протянутым между опорными мачтами, в секции на канаты подвешивается несколько рядов рам, на одной из осей каждой рамы установлена небольшая шестерня с приводом от маломощного электромотора, смонтированного на трубчатом стержне, что позволяет регулировать угол поворота рамы.

В секции электрогазодинамической ветростанции рамы с блоками подвешены на арочной облегченной ферме с одной стенкой из прутьев достаточной протяженности, обеспечивающей подвешивание между опорными мачтами большого количества рам с блоками ветроагрегатов, в 5-10 раз большее, чем при несущих канатах, устойчивость блока в каждой раме осуществляется диэлектрическим каркасом с ячейками, в которые устанавливаются с закреплением ветроагрегаты, несущие подшипники привариваются к нижнему поясу фермы, фермы могут быть установлены в несколько ярусов.

Также в секциях рамы с блоками ветроагрегатов установлены последовательно, типа тандем, армируются пластмассовыми связками и подвешиваются к привязному обтекаемому аэростату для работы на высоте, комплексы блоков расположены под углом к горизонту для создания дополнительной вертикальной тяги, все одноименные электроды соединены параллельно, передача энергии на землю - по кабелю или радиосигналом.

На фиг. 1 изображена секция электрогазодинамической ветростанции (общий вид) с несколькими несущими канатами и комплексами рам с блоками ветроагрегатов.

На фиг. 2 изображена секция ветростанции с несущей фермой и с большим количеством рам с блоками ветроагрегатов.

Секция электрогазодинамической ветростанции (ЭГД ВС) 1 состоит из блоков (комплексов) электрогазодинамических ветроагрегатов (ЭГД ВА) 2, установленных в обтекаемые рамы 3 из жесткого диэлектрика. Все ветроагрегаты 2 в раме 3 закреплены обтекаемыми горизонтальными упорами 4 и вертикальными стойками 5, выдерживающими напор ветра. Вместо упоров 4 и стоек 5 ветроагрегаты 2 могут быть закреплены в раме 3 в пластмассовом диэлектрическом каркасе 6 с ячейками 7.

На поперечных основаниях рамы 3 в центре симметрии укреплены оси 8, обеспечивающие вращение рам 3 через несущие подшипники 9, приваренные к трубчатым стержням 10, подвешенным на тягах 11 к несущим канатам 12, протянутым между опорными мачтами 13. Имеется дополнительное крепление подшипников 14. Для регулировки угла поворота рамы 3 на одной из осей 8 каждой рамы 3 установлена небольшая шестерня (не показана) с приводом от электромотора (не показан) малой мощности, смонтированного на трубчатом стержне 10.

В секции 1 на несущие канаты 12 подвешивается несколько рядов рам 3 с блоками ветроагрегатов 2.

ЭГД ВС содержит следующие основные элементы: - разъемный диэлектрический канал 15; - поперечные электроды 16 на внутренней поверхности канала 15 с нагрузкой 17; - на входе канала 15 имеются коронирующие электроды 18, образующие положительные или отрицательные ионы с питанием от коллектора 21 через преобразователь напряжения 19; - стабилизирующую систему электродов 20; - коллектор 21 с выводами 22 к пульту управления (не показан); - дополнительно на наружной поверхности корпуса ЭГД ВС1 нанесены электропроводящие покрытия с заземлением 23; - арочные облегченные фермы - 24; - выводы коронирующих электродов 18 через реле 26 соединены также с пусковым питателем 25;
- вводы и выводы 22 электродов 18 в блоках ветроагрегатов 2 могут быть протянуты между корпусами ветроагрегатов 2 по упорам 4 и стойкам 5 или по каркасу 6 в секции ЭГД ВС;
- имеются наружные вводы и выводы 27, 28.

Для обеспечения работы ЭГД ВС при ветре высоких скоростей (вплоть до ураганных) блоки ВА следует располагать последовательно типа тандем.

Все группы однородных электродов в блоке соединены параллельно, групповые вводы и выводы от каждого блока подведены к пульту управления и через предохранители (не показаны), реле 26, инвертор (не показан) соединены с нагрузкой 17 секции ЭГД ВС.

Арочные облегченные фермы 24 весьма значительно позволяют увеличивать промежутки между опорными мачтами 13 (в 5-10 раз), следовательно, создается возможность разместить между ними (подвесить) по вертикали и по горизонтали очень большое количество рам 3 с блоками ВА2, т.е. повысить рабочую площадь секции ВС. Фермы 24 можно, как и канаты 12, устанавливать в несколько ярусов.

Устойчивость блоков ВА2 в каждой раме 3 обеспечивается диэлектрическим каркасом 6, установленным в раме 3 и прочно с ней связанным, с ячейками 7, в которые помещаются ВА 2, также прочно скрепленные с каркасом 6. Несущие подшипники 9 привариваются к нижнему поясу фермы 24.

Комплексы ВА2 могут быть встроены в привязанные аэростаты (не показаны), при этом в секциях рамы 3 с блоками ветроагрегатов 2 (без вращения) устанавливают последовательно, типа тандем, армируют пластмассовыми связками (не показаны), комплексы блоков 2 располагают под углом к горизонту для создания дополнительной вертикальной тяги, все одноименные электроды в таком случае располагают параллельно, а передача энергии на землю осуществляется по кабелю или радиосигналом.

ВС будет работать при скорости ветра от 3-4 до 30-40 м/с, возможно и выше без снижения коэффициента преобразования, что недоступно для крыльчатых ВЭУ. Все рамы с блоками ВА автоматически устанавливаются как флюгеры по ветру, но через приводы возможно регулирование угла поворота любой рамы 3.

При работе установки сущность электрогазодинамических процессов - взаимодействие потока ионов и электрических полей - поперечного и осевого, в канале 15 каждого ВА 2 происходит по следующей схеме.

Поток ионов, образуемых коронирующими электродами 18, наводит на стабилизирующих электродах 20 секционированного конденсатора (не показан), находящегося в канале 15 по осевой линии внутри объемного заряда, заряды другого знака, образующие обратное поперечное поле, тормозящее рассеяние потока ионов. Вместе с тем заряды, осадившиеся на поперечные электроды 16, также препятствуют рассеянию ионов. Все это происходит в соответствии с известной теоремой Гаусса
∮ DdS = Σ q,
где D - вектор электрической индукции;
S - замкнутая поверхность;
q - заряды внутри канала (S).

В результате значительная доля объемного заряда переносится потоком воздуха к коллектору 21 и оседает там, повышая его напряжение. Энергия ионов, осевших на поперечные электроды 16, используется в нагрузке 17, через выводы 22 энергия поступает к пульту и в сеть, часть ее через преобразователь напряжения 19 отводится для питания коронирующих электродов 18.

Секции ЭГД ВС можно устанавливать в различных местах и с различной пространственной ориентацией на территории, над эстакадами, на плавучих средствах (суда, баржи и пр.), на крышах отдельных или соседних зданий, и электрическими проводами объединять в энергетическую систему ЭГД ВС, обеспечивающую производство электроэнергии при напряжении 100 - 150 кВ, соответственно скорости ветра. Согласно ориентировочному расчету секция ЭГД ВС длиной 100 м с поперечными размерами 60 м, при КПД
0,6 при ветре со средней скоростью 9 м/с будет иметь мощность до 1600 кВт. При скорости 30 м/с и несколько уменьшенном КПД ~ 0,4 - 0,5 мощность будет ~(45 - 50) · 10³ кВт.

Подобные комплексы могут работать на разных высотах и даже в зонах так называемых "струйных течений", обладающих большой скоростью и устойчивостью ветра.

Формула изобретения

1. Электрогазодинамическая ветростанция, содержащая комплексы электрогазодинамических ветроагрегатов, причем каждый ветроагрегат включает разъемный диэлектрический канал, на входе канала имеются коронирующие электроды, образующие положительные или отрицательные ионы с питанием от коллектора через преобразователь напряжения, на внутренней поверхности канала - поперечные электроды, внутри по осевой линии - секционированный конденсатор, стабилизирующий совместно с другими электродами поток ионов от рассеяния, отличающаяся тем, что на наружной поверхности корпуса имеются электропроводящие покрытия с заземлением, ветроагрегаты скомплектованы в блоки, одноименные вводы и выводы электродов в блоках соединены параллельно, групповые вводы и выводы от каждого блока подведены к общему пульту управления и через соответствующие реле и другие элементы управления соединены с нагрузкой, при этом каждый блок заключен в обтекаемую раму из диэлектрика, все ветроагрегаты в раме закреплены обтекаемыми горизонтальными упорами и вертикальными стойками или в ячейках пластмассового каркаса, на поперечных основаниях рамы в центре симметрии укреплены оси, обеспечивающие вращение рам через несущие подшипники, приваренные к трубчатым стержням, подвешенным на тягах к несущим канатам, протянутым между опорными мачтами, в секции на канаты подвешивается несколько рядов рам, на одной из осей каждой рамы установлена небольшая шестерня с приводом от маломощного электромотора, смонтированного на трубчатом стержне, на позволяет регулировать угол поворота рамы.

2. Секция электрогазодинамической ветростанции, отличающаяся тем, что рамы с блоками подвешены на арочной облегченной ферме с одной стенкой из прутьев достаточной протяженности, обеспечивающей подвешивание между опорами мачтами большого количества рам с блоками ветроагрегатов, в 5 - 10 раз большего, чем при несущих канатах, устойчивость блока в каждой раме осуществляется диэлектрическим каркасом с ячейками, в которые устанавливаются с закреплением ветроагрегаты, несущие подшипники привариваются к нижнему поясу фермы, фермы могут быть установлены в несколько ярусов.

3. Секция по п.2, отличающаяся тем, что в секциях рамы с блоками ветроагрегатов установлены последовательно типа тандем, армируются пластмассовыми связками и подвешиваются к привязному обтекаемому аэростату для работы на высоте, комплексы блоков расположены под углом к горизонту для создания дополнительной вертикальной тяги, все одноименные электроды соединены параллельно, передача энергии на землю - по кабелю или радиосигналом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2