Способ максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразования ее в электрическую энергию и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к ветроэнергетическим машинам. Способ заключается в обеспечении торможения воздушного потока, реализации потенциала напора воздуха в кинетическую энергию струй и приведении во вращение ротора электрогенератора, снабженного устройством управления внешней нагрузкой на генератор, а также совершении работы по преобразованию энергии потока в электрическую энергию, при этом отбор кинетической энергии потока воздуха осуществляют реактивной турбиной, выполненной в виде двух, установленных с отстоянием друг от друга дисков с укрепленными на них радиальными реями, парусов, надетых на соседние реи, и бандажа, прикрепленного к концам рей, торможение потока осуществляют по всей сметаемой поверхности турбины, а в качестве электрогенератора используют осевой синхронный многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением, который выполнен осевым, синхронным и многополюсным с внешним возбуждением, установлен на платформе и кинематически связан с турбиной через шкив ременной передачей, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор снабжено датчиком измерения величины аэродинамического давления перед турбиной. Использование способа обеспечит максимальное извлечение кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности к ветроэнергетическим машинам.

Известна ветроэнергетическая машина, содержащая реактивную турбину, установленную на валу, опертом на подшипники, жестко связанные с платформой, генератор электрического тока, кинематически связанный с турбиной, и устройство управления внешней нагрузкой на генератор по закону изменения аэродинамической нагрузки на турбину (RU 2231679 С2, F 03 D 1/04, 27.06.2004), в которой реализуется способ извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразования ее в электрическую энергию, в котором обеспечивают торможение воздушного потока, реализуют потенциал напора воздуха в кинетическую энергию струй и приводят во вращение ротор электрогенератора, снабженного устройством управления внешней нагрузкой на генератор по закону изменения аэродинамической нагрузки на турбину, с совершением работы по преобразованию энергии потока в электрическую энергию.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного способа с применением заявленного устройства, заключается в обеспечении максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразовании ее в электрическую энергию.

Указанный результат достигается тем, что в способе максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразования ее в электрическую энергию обеспечивают торможение воздушного потока, реализуют потенциал напора воздуха в кинетическую энергию струй и приводят во вращение ротор электрогенератора, снабженного устройством управления внешней нагрузкой на генератор по закону изменения аэродинамической нагрузки на турбину, с совершением работы по преобразованию энергии потока в электрическую энергию, при этом отбор кинетической энергии потока воздуха осуществляют реактивной турбиной, выполненной в виде двух установленных с отстоянием друг от друга дисков с укрепленными на них радиальными реями, парусов, надетых на соседние реи, и бандажа, прикрепленного к концам рей, причем, торможение потока осуществляют по всей сметаемой поверхности турбины, а в качестве электрогенератора используют осевой синхронный многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением.

Для осуществления способа используется ветроэнергетическая машина, содержащая реактивную турбину, установленную на валу, опертом на подшипники, жестко связанные с платформой, генератор электрического тока, кинематически связанный с турбиной, и устройство управления внешней нагрузкой на генератор по закону изменения аэродинамической нагрузки на турбину, при этом турбина выполнена в виде двух установленных с отстоянием друг от друга дисков с укрепленными на них радиальными реями, парусов, надетых на соседние реи, и бандажа, прикрепленного к концам рей, причем один диск посажен жестко, второй свободно и связан с первым через устройство натяжения парусов, генератор электрического тока выполнен малоинерционным, осевым, синхронным и многополюсным с внешним возбуждением, установлен на платформе и кинематически связан с турбиной через шкив ременной передачей, причем устройство управления внешней нагрузкой на генератор снабжено датчиком измерения величины аэродинамического давления перед турбиной.

Кроме того, платформа может быть выполнена с возможностью нацеливания на ветер поворотом всей платформы относительно ее оси.

Кроме того, генератор электрического тока может быть установлен на поворотной платформе.

Устройство для осуществления способа иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена блок-схема ветроэнергетической машины, на фиг.2 - генератор электрического тока в разрезе, на фиг.3 - ротор генератора электрического тока в разрезе.

Для пояснения сущности изобретения приложены фотографии, где на фиг.4 - ветроэнергетическая машина (общий вид), на фиг.5 - энергетическая машина (вид спереди), на фиг.6 - энергетическая машина (вид сбоку), на фиг.7 - малоинерционный, осевой, синхронный, многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением (общий вид в сборе), на фиг.8 - малоинерционный, осевой, синхронный, многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением (общий вид).

Ветроэнергетическая машина содержит реактивную турбину с бандажем 1, с валом 2, жестко посаженным диском 3 и свободным диском 4, образующими центральное тело турбины, паруса 5 (или пластины, образующие реактивную поверхность турбины), передние реи 6, задние реи 7, сопла (привод натяжения парусов) 8, осевой, синхронный, многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением 9 с валом 10, подшипниками 11, неподвижными опорными дисками статора 12, дисками ротора 13, катушками статора с кольцевыми магнитопроводами 14, катушками ротора с магнитопроводами 15, приводным шкивом 16, реле-регулятор напряжения электрического тока 17, буферный электрохимический аккумулятор электрического тока 18, систему управления внешней нагрузкой на генератор электрического тока с пневматическим приводом 19, включатель электрической емкости (накопителя) от отрицательной клеммы аккумулятора 20, внешнюю нагрузку на генератор электрического тока (накопитель) 21, поворотную платформу 22, датчик измерения величины аэродинамического давления перед турбиной 23.

Работает ветроэнергетическая машина следующим образом.

Платформу устанавливают на некотором возвышении, реактивную турбину устанавливают перпендикулярно вектору скорости ветра. Поток попадает на турбину, протекая сквозь сопла, раскручивает ее. Турбина через ременную передачу приводит в действие генератор электрического тока, с которого ток подается к потребителям. Работой генератора управляет автоматическая система, содержащая реле-регулятор напряжения электрического тока 17, буферный электрохимический аккумулятор электрического тока 18, систему управления внешней нагрузкой на генератор электрического тока с пневматическим приводом 19, включатель электрической емкости (накопителя) от отрицательной клеммы аккумулятора 20.

Основные преимущества машины заключаются в том, что турбина и генератор выполнены малоинерционными, а турбина является также предельно напорной с высокой механической проводимостью.

Формулы, подтверждающие малоинерционость и предельно напорность установки:

Предельно напорная реактивная малоинерционная ветротурбина всегда работает на предельных значениях коэффициента аэродинамического сопротивления сметаемой поверхности диска турбины воздушному потоку. Размеры турбины таковы, что при заданных минимальных значениях скорости ветра турбина сразу выходит на режим предельного напора, т.е. C_x≈C_xmax=f(V)=const, что для других типов ветродвигателей недостижимо.

Из сказанного следует, что для заданной высоты местности над уровнем моря, если принять плотность воздуха ρ=const, то минимальный диаметр предельнонапорной реактивной малоинерционной ветротурбины для рабочего интервала скоростей ветра определиться критерием подобия Рейнольдса

где V - скорость ветра, м/с;

D - диаметр турбины, м;

ν - коэффициент кинематической вязкости воздуха, м²/с.

Так как величина ветрового напора определяется отношением аэродинамической силы сопротивления Q на ометаемую поверхность диска турбины, расположенной перпендикулярно к вектору скорости ветра, к площади этого диска, т.е.

где Н - ветровой напор [Н/м²];

Q - сила аэродинамического сопротивления [Н];

S_n - площадь парусности турбины - площадь сметаемой поверхности диска [м²],

то

где C_x=f(V) достигает своего предельного значения при заданной V_крит. тогда,

когда

где R=const для выбранной геометрической конструкции турбины.

А турбина с диаметром D>D_крит. называется нами предельно напорной, так как работает при С_х≈С_{х max}=const.

Реактивной турбина называется потому, что для нее в отличие от активных турбин не имеет значения профиль стенки сопла для формирования струи, не имеет значения в значительной мере и форма сечения струи воздуха через сопла, а имеет значение величина напора ветра на реактивную поверхность, образованную парусом, предельный напор которого определяется для условий D>D_крит., т.е. предельно напорностью, и при истечении воздуха через сопла - коэффициентом дрейфа, оптимальное значение которого составляет К_д≈0,35-0,40, что определяет площадь сечений сопел турбины и, соответственно, скачок напора при работе турбины. Максимальная мощность, развиваемая при этом турбиной, определяется соответствием угловой скорости турбины и скорости ветра.

Генератор выполнен с четным числом катушек с чередованием направления намотки катушек, за счет чего магнитный поток замыкается через магнитопроводящие кольца статора, магнитопроводы катушек ротора и имеет кольцевую синусоидальную замкнутую кривую.

Математическим моделированием и испытаниями опытных образцов ветроэнергетической машины подтверждены ее высокая эффективность и безотказность при работе во всем диапазоне скоростей и частот потока воздуха.

1. Способ максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразования ее в электрическую энергию, в котором обеспечивают торможение воздушного потока, реализуют потенциал напора воздуха в кинетическую энергию струй и приводят во вращение ротор электрогенератора, снабженного устройством управления внешней нагрузкой на генератор по закону изменения аэродинамической нагрузки на турбину, с совершением работы по преобразованию энергии потока в электрическую энергию, отличающийся тем, что отбор кинетической энергии потока воздуха осуществляют реактивной турбиной, выполненной в виде двух установленных с отстоянием друг от друга дисков с укрепленными на них радиальными реями, парусов, надетых на соседние реи, и бандажа, прикрепленного к концам рей, при этом торможение потока осуществляют по всей ометаемой поверхности турбины, а в качестве электрогенератора используют осевой синхронный многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением.

2. Ветроэнергетическая машина, содержащая реактивную турбину, установленную на валу, опертом на подшипники, жестко связанные с платформой, генератор электрического тока, кинематически связанный с турбиной, и устройство управления внешней нагрузкой на генератор по закону изменения аэродинамической нагрузки на турбину, отличающаяся тем, что турбина выполнена в виде двух установленных с отстоянием друг от друга дисков с укрепленными на них радиальными реями, парусов, надетых на соседние реи, и бандажа, прикрепленного к концам рей, причем один диск посажен жестко, второй свободно и связан с первым через устройство натяжения парусов, а генератор электрического тока выполнен малоинерционным, осевым, синхронным и многополюсным с внешним возбуждением, установлен на платформе и кинематически связан с турбиной через шкив ременной передачей, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор снабжено датчиком измерения величины аэродинамического давления перед турбиной.

3. Ветроэнергетическая машина по п.2, отличающаяся тем, что платформа выполнена с возможностью нацеливания на ветер поворотом всей платформы относительно ее оси.

4. Ветроэнергетическая машина по п.2, отличающаяся тем, что генератор электрического тока установлен на поворотной платформе.