Ветровая электростанция

Авторы патента:

Перфилов Александр Александрович (RU)

F03D3/00 - Ветряные двигатели с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра (регулирование F03D 7/00)

Владельцы патента RU 2546366:

Перфилов Александр Александрович (RU)

Изобретение относится к области возобновляемой энергетики и может быть использовано для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую и электрическую энергию. Ветровая электростанция на постоянном воздушном потоке включает множество ветроэнергетических установок, содержащих ветровые колеса с электрогенератором, нагревательный элемент и аэродинамическую трубу. Ветровые колеса с электрогенератором расположены в подземных туннелях, соединенных с башней, в которой расположены газовые горелки, создающие постоянный воздушный поток. По центру башни расположена перфорированная тонкостенная керамическая труба и водопровод с соплами внутри нее, газовые горелки нагревают керамическую трубу, а ее диффузное инфракрасное излучение активно поглощается парами воды, которые вместе с отработанными нагретыми газами перемещаются вверх и быстрее нагревают воздух в аэродинамической трубе, что создает требуемый для возникновения тяги градиент температуры с внешней средой, в дальнейшем поток усиливается за счет перепада атмосферного давления на концах аэродинамической трубы. Использование изобретения позволяет повысить эффективность работы нагревательного элемента, которая, в свою очередь, приведет к повышению эффективности ветровой электростанции. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Актуальность изобретения.

Проблема обеспечения жителей Земли энергией столь актуальна, что заставляет мощные в военном отношении страны принудительно перераспределять невозобновляемые источники энергии в своих целях. Разумное же человечество уменьшение полезных ископаемых компенсирует поиском альтернативных источников получения энергии.

Известна тепловихревая электростанция (RU 2070660 C1, МПК F03D 3/04, опубл. 20.12.1996), которая содержит трубу с генератором вихря, ветроколеса, установленные на вертикальном валу, и электрогенератор. Электростанция снабжена дополнительным генератором вихря, дефлектором, системой подогрева воздуха. Ветроколеса установлены в трубе, а крылья ветроколес размещены в зоне вихревого воздушного потока. Большим достоинством этого изобретения является генерация постоянного воздушного потока, что предотвратит простои ветряка.

Недостатки следующие.

Принцип обычной печки, в трубе которой установлено ветровое колесо. Новизна в том, что для увеличения тяги восходящий воздушный поток, возникающий за счет разницы температур между низом и верхом трубы, приводится в вихревое движение, которое, по мнению авторов, должно значительно увеличить мощность и скорость воздушного потока. Вызывает сомнение, что вихревое динамическое движение воздушного потока благотворно повлияет на крылья ветрового колеса или на лопатки ветровой турбины.

Большую тягу на коротком участке трубы таким способом не получишь и не пойдет ли вся электроэнергия ветряка на подогрев воздуха? А главное, - если нет нагрева, то нет и тяги, - значит, ветряк будет простаивать (если топливо не подвезут или ремонтные работы на нагревателе). Топливо можно более эффективно использовать в обычных электрогенераторах. Для создания постоянно действующего воздушного потока в трубе необходимо выполнить два условия:

- наличие градиента температуры, атмосферного давления или плотности воздуха на концах трубы;

- наличие тех же градиентов воздуха внутри трубы относительно окружающей среды.

Увеличить градиент по атмосферному давлению на концах трубы можно за счет увеличения ее длины от несколько сот метров до нескольких километров, вплоть до верхней границы тропосферы 10-18 км (RU 2504690 C2, МПК F03D11/00, опубл. 20.01.2014).

Для увеличения градиента давления внутри трубы предлагается за счет установки в устье трубы ветрового барабана с лопастями, в котором, при его вращении под действием горизонтальных потоков воздуха, по закону Бернулли возникает разрежение воздуха, что создает дополнительную тягу. Для нагревания воздуха внутри трубы предлагается использовать газовые горелки, установленные на внутренней поверхности башни в устье аэродинамической трубы (RU 2504685 C1 МПК F03D 1/02, опубл. 20.01.2014).

Для уменьшения шума и вибрации предлагалось ветровые колеса с электрогенераторами размещать в подземных туннелях. Эти предложения должны повысить эффективность ветровой электростанции.

Предлагаемая ветровая электростанция на постоянном воздушном потоке, принятая нами за прототип, включает множество ветроэнергетических установок, содержащих ветровые колеса с электрогенератором, нагревательное устройство и аэродинамическую трубу. Ветровые колеса с электрогенератором расположены в подземных туннелях, соединенных с башней, в которой расположены газовые горелки. На башне в устье аэродинамической трубы, выполненной из полимерных материалов с ребрами жесткости в виде обручей и подвешенной на тросах к аэростату, смонтирован барабан с лопастями, установленный с возможностью вращения и создания разрежения под действием горизонтальных потоков воздуха. Недостатком данной конструкции является то, что газовые горелки нагревательного элемента нагревают непосредственно воздух, плохо поглощающий инфракрасное излучение, что приводит к большому расходу топлива, замедляет прогрев и первичную продувку аэродинамической трубы.

Целью предлагаемого изобретения является дальнейшее повышение эффективности ветровой электростанции за счет оптимизации воздушного потока и повышения эффективности работы нагревательного элемента.

Механизмы оптимизации могут быть следующие.

Для создания тяги и подержания воздушного потока в башне установлены газовые горелки. Известно, что 60% их энергии - это тепловое или инфракрасное излучение.

Воздух не поглощает инфракрасное излучение, а нагревается исключительно от нагретых поверхностей. Зато водяной пар отлично поглощает инфракрасное излучение, а значит, легко нагревается и, смешиваясь с отработанным горячем газом горелок и с воздухом, легко прогревает аэродинамическую трубу, тем самым быстрее создает первоначальную тягу.

Предлагаемая ветровая электростанция включает множество ветроэнергетических установок, расположенных в туннелях и содержащих ветровые колеса с электрогенератором, аэродинамическую трубу с башней и нагревательное устройство, отличается тем, что нагревательное устройство, расположенное в середине башни, состоит из перфорированной тонкостенной керамической трубы и водопровода с соплами внутри нее, газовых горелок, нагревающих керамическую трубу с внешней стороны, которая при нагревании излучает диффузное инфракрасное излучение, поглощаемое парами воды. Такое устройство позволит сэкономить топливо и ускорить процесс нагрева воздуха и время первичной продувки аэродинамической трубы.

Другим средством оптимизации является установка в туннеле диафрагмы, которая за счет изменения диаметра туннеля автоматически поддерживает движение воздушного потока с постоянной скоростью. Диафрагма состоит из нескольких металлических лепестков серповидной формы, которые, сближаясь с помощью специальных сервомоторов, устанавливают плавное изменение диаметра воздушного потока.

Управление электрического сервопривода построено по схеме сравнения показаний датчика скорости воздушного потока и задаваемого значения, с подачей напряжения через реле на электродвигатель. Использование микропроцессора позволяет учитывать инерцию приводимого элемента и реализовать плавный разгон и торможение для уменьшения динамических нагрузок и более точного позиционирования.

Так как поток сравнительно постоянен по скорости, то нет нужды в дорогостоящих аккумулирующих устройствах, да и сам ветряк может быть упрощен и состоять из ветрового колеса и электрогенератора. Подземное расположение ветряков и близость к городу позволяют подключить электростанцию к городской сети и отказаться от ЛЭП. Из всего многообразия полимеров для изготовления аэродинамической трубы, работающей в экстремальных условиях, наиболее приемлемы углепластики, например Графин и Хайпол, которые получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила нефтяных и каменноугольных пеков. Материалом для воздушных шаров обычно служат эластомеры, т.е. природные или синтетические каучуки, обладающие способностью обратимо растягиваться до 900%.

Потери на трение по стенкам туннеля, башни и аэродинамической трубы могут быть снижены путем покрытия их углеграфитовыми пленками с низким коэффициентом трения (0,005).

Очевидно, что технические усложнения конструкции электростанции невелики, а повышение производительности и экономические выгоды очевидны.

На фиг. 1 представлен вид ветровой электростанции сбоку в разрезе; на фиг. 2 - вид на электростанцию сверху; на фиг. 3 - разрез туннеля в месте установки диафрагмы, где 1 - шар аэростата, 2 - гондола с контрольно-измерительной аппаратурой, 3 - трос, 4 - натяжное устройство, 5 - аэродинамическая труба, 6 - барабан с лопастями, 7 - насыпь, 8 - воздухозаборник с фильтром, 9 - ветроэнергетическая установка (ветровое колеса с электрогенератором), 10 - туннель, 11 - диффузор, 12 - ребра жесткости, 13 - газовые горелки, 14 - башня, 15 газопровод, 16 - диафрагма, 17 - керамическая труба, 18 - водопровод с соплами.

Ход монтажных работ

Выбирают место, малопригодное для промышленного и сельхозиспользования. Строят туннели с воздухозаборниками и диафрагмой, а также башню с диффузором. В башне укрепляют керамическую трубу, внутри которой имеется водопровод с форсунками - разбрызгивателями воды. По внутренней поверхности башни устанавливают газовые горелки и подключают к ним газопровод. Далее устанавливают в туннелях ветровые колеса с электрогенераторами, и это сооружение присыпают землей. На башню устанавливают вращающийся на шарикоподшипниках барабан с лопастями.

Несложно подвезти аэростат в собранном виде, катушки с полимерной пленкой и дуги обручей, а также натяжные устройства с намотанным тросом к месту монтажа.

Аэростат 1 приводят в рабочее состояние, прикрепляют к натяжным устройствам 4 гондолу 2, которую оборудуют контрольно-измерительной аппаратурой и медленно поднимают в воздух. К натянутым тросам 3 крепят секции аэродинамической трубы 5 с ребрами жесткости 12 в виде полимерных обручей. По мере наращивания трубы за счет состыковки ее секций аэростат поднимается вверх.

Параллельно этим работам, внутри здания электроподстанции, монтируются контроллер, инвертор, АВР, трансформатор и интерфейс ЛЭП. Устанавливается наземная станция наблюдения и ретранслятор для автоматического контроля и управления электроподстанцией на расстоянии. Вначале нагревают газовыми горелками керамическую трубу, затем продувают аэродинамическую трубу паром и горячими отработанными газами. Когда естественная тяга потока будет не ниже 5 м/с (это нижний предел скорости, при которой могут работать современные ветряки), включают поочередно ветряки.

Электроэнергия от генераторов поступает по кабелю на контроллер, который управляет всей энергосистемой станции. Далее энергия трансформируется и поступает через интерфейс на городскую сеть.

Для обеспечения энергией устройств самой электростанции и близлежащих устройств наблюдения служат инвертор и АВР.

АВР позволяет переключить питание объекта при остановке ветроэнергетической установки (ремонт, профилактика) на другие установки городской электросети.

Так как электростанция автоматическая, то все ее параметры передаются через ретранслятор на пункт сбора данных в городскую электросеть.

Предлагаемая ветровая электростанция проста, а значит и низкозатратна и экономически выгодна. Она неприхотлива в выборе места, пригодна и в труднодоступных условиях. Ей не страшны, и отсутствие ветра, и его сильные порывы. Ветроэнергетические установки, запрятанные в подземные туннели, не создают излишних шумовых и вибрационных воздействий на окружающую среду и могут работать вблизи населенных пунктов.

Устройство удобно для технического обслуживания агрегатов и самой аэродинамической трубы, достаточно подтянуть аэростат натяжными устройствами к земле.

Конструкция ветровой электростанции не предполагает ограничений на длину и диаметр аэродинамической трубы, на количество установленных ветроэнергетических установок, а значит и на ее производительность.

1. Ветровая электростанция включает множество ветроэнергетических установок, расположенных в туннелях и содержащих ветровые колеса с электрогенератором, аэродинамическую трубу с башней и нагревательный элемент, отличающаяся тем, что нагревательное устройство, расположенное в середине башни, состоит из перфорированной тонкостенной керамической трубы и водопровода с соплами внутри нее, газовых горелок, нагревающих керамическую трубу с внешней стороны, которая при нагревании излучает диффузное инфракрасное излучение, поглощаемое парами воды.

2. Ветровая электростанция по п.1, отличающаяся тем, что в туннеле установлена диафрагма, которая состоит из нескольких металлических лепестков серповидной формы, которые, сближаясь с помощью специальных сервомоторов, устанавливают плавное изменение диаметра воздушного потока.

Изобретение относится к энергетическим установкам, а более конкретно к вихревым энергетическим установкам газоперекачивающих агрегатов компрессорных станций магистральных газопроводов.

Ветроэнергетическая установка // 2543905

Изобретение относится к ветроэнергетике, в частности к конструкциям ветроприемных устройств с осью вращения ротора, перпендикулярной к направлению ветра. Установка содержит ветроприемное устройство, выполненное в виде ветроколеса, установленного с возможностью вращения вокруг вертикальной оси, и имеет лопасти, расположенные на ободе ветроколеса и установленные на валах, находящихся на оси симметрии лопастей.

Ветроэнергетический комплекс // 2543370

Изобретение относится к ветроэнергетическим комплексам и может быть использовано в народном хозяйстве. Ветроэнергетический комплекс содержит электрогенераторы, вращаемые одной или несколькими аэротурбинами с вертикальной осью вращения.

Устройство для генерации электроэнергии из энергии ветра // 2539250

(57) Изобретение относится к устройству для генерации электроэнергии из энергии ветра, содержащему лопаточный блок (5), блок (6) сбора ветра и блок (8) управления. Лопаточный блок (5) содержит вертикальный вал (51), установленный с возможностью вращения на основании (4), и множество лопаток (521), неподвижно прикрепленных вокруг вала (51) и приводимых во вращение ветром.

Вертикально-осевой ветродвигатель с экраном // 2537666

Изобретение относится к ветроэнергетике и позволяет регулировать скорость вращения ротора ветродвигателя, а также защитить его от наледи и налипания снега. Конструкция ветродвигателя отличается тем, что снабжена механизмом поворота экрана, позволяющим принудительно повернуть его вокруг своей оси и полностью или частично перекрыть ротор ветродвигателя от потока ветра и других атмосферных воздействий.

Аэростатный ветрогенератор // 2537664

Изобретение направлено на улучшение пространственной устойчивости конструкции для получения электроэнергии больших и крупных мощностей от ветра в высотных скоростных слоях атмосферы над внутриконтинентальными регионами.

Аэро-высотный ветрогенератор // 2535427

Изобретение позволяет надежно и устойчиво получать электроэнергию сверхкрупной мощности от ветра в высотных скоростных слоях атмосферы, прежде всего на материковых территориях.

Ротор // 2534326

Изобретение относится к конструкции роторов, используемых преимущественно с возобновляемыми источниками энергии (как воздушными, так и водными). Сущность изобретения состоит в том, что в роторе с чашеобразными элементами, смонтированными на валу, элементы выполнены в виде конусных улиток, вершины конусов в которых могут быть в плоскости симметрии чашки или могут быть асимметричными по отношению к плоскости симметрии чашки.

Гидроэлектрическая энергосистема и турбина в трубе // 2526604

Изобретение относится к области гидроэлектрической выработки электроэнергии. Сферическая турбина 96 выполнена для вращения в поперечном направлении в цилиндрической трубе под действием рабочего вещества, протекающего через трубу в любом направлении.

Крыльчато-парусная ветроэнергетическая установка // 2526415

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для преобразования и использования энергии ветра. Установка содержит поворотную стойку, несущую жестко закрепленный на ее верхнем конце подшипниковый узел с двухконцевым горизонтальным валом, один конец которого связан с генератором, а на другом конце жестко закреплен мах, несущий по меньшей мере две съемных лопасти.

Вертикально-осевая ветроустановка // 2546892

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в электромашиностроении. Вертикально-осевая ветроустановка содержит ступицу, жестко зафиксированную в пространстве, располагаемую в центре вращения, в которой скомпонованы электрогенератор и ротор. Ротор содержит цилиндрический вал, от которого радиально в горизонтальной плоскости отходят закрытые в аэродинамические обтекатели силовые траверсы, на концах которых закреплены вертикальные лопасти. Цилиндрический вал с возможностью вращения пропущен через направляющую втулку, жестко закрепленную на торце вертикальной мачты. Электрогенератор содержит корпус, в полости которого размещен шихтованный сердечник статора, скрепленный со ступицей, снабженный пазами, в которых размещены катушки обмотки. В цилиндрической полости статора с возможностью вращения размещен ротор электрогенератора. Ротор включает в себя индуктор, выполненный с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха или с радиальным или тангенциальным намагничиванием. Корпус электрогенератора, снабжен первым и вторым щитами, выполненными с возможностью жесткого скрепления с соответствующими торцевыми кромками корпуса электрогенератора. Использование данного изобретения приводит к повышению ресурса и надежности работы ветроустановки и ее электрогенератора за счет существенного уменьшения трения в подшипниках, повышения КПД генератора, уменьшения массы вращающихся деталей, увеличения окружной скорости индуктора электрогенератора. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Ветроэнергетическая установка и способ производства электроэнергии // 2546897

Изобретение относится к ветроэнергетическим установкам и способам производства электроэнергии. Основным элементом ветроэнергетической установки является аэродинамическая поверхность в форме крыла, в теле которого выполнен канал, соединяющий противоположные поверхности крыла. Засасываемый в этот канал воздух приводит во вращение турбину и связанный с ней электрогенератор. Установка может быть стационарной или мобильной. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил.

Вертикально-осевая ветроустановка // 2548697

Изобретение относится к области ветроэнергетики и электротехники и, в частности, к электромашиностроению. Вертикально-осевая ветроустановка содержит ступицу, в которой скомпонован электрогенератор и ротор, включающий ряд вращающихся вокруг вертикальной оси вертикальных лопастей. На ступице установлен статор, внешней поверхности которого придана цилиндрическая форма, при этом он охвачен цилиндрической полостью ротора. Пазы статора, в которых уложены катушки обмотки, размещены с внешней стороны статора и открыты к обращенной к ним поверхности цилиндрической полости ротора. Внутренняя поверхность полости ротора, обращенная к статору, снабжена кольцевым выступом с пазом, в котором смонтирован индуктор, содержащий планки, ориентированные вдоль продольной оси ротора, выполненные из постоянных магнитов, с образованием составного магнитного кольца. При этом планки намагничены так, что между радиально намагниченными магнитами размещены тангенциально намагниченные, с возможностью образования магнитной схемы Хальбаха. Подшипниковый узел электромашины содержит магнитные радиальные подшипники, размещенные в зазорах между кромками торцевых щитов электрогенератора и обращенных к ним поверхностях ротора, а также содержит магнитные упорные подшипники, размещенные в зазорах между поверхностями торцевых щитов электрогенератора и обращенных к ним поверхностях выступа ротора. Использование изобретения приводит к повышению ресурса ветроустановки и ее электрогенератора, уменьшению трения в подшипниках, увеличению окружной скорости индуктора электрогенератора, самораскрутке ротора при низких скоростях ветра. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

Вертикальный ротор // 2548699

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в ветроэлектрогенераторах с вертикальной осью вращения. Вертикальный ротор содержит вертикальный вал, активные лопасти, соединенные гибкими связями с валом. Места крепления лопастей соединяются между собой дополнительными гибкими связями. Преимуществом данного ротора является его простота, надежность и технологичность, которые обусловлены доступностью основных компонентов. 2 ил.

Ветродвигатель // 2550993

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано для получения механической и электрической энергии. Ветродвигатель с вертикальной осью вращения содержит ветровую турбину. Ветровая турбина состоит, по меньшей мере, из одной секции. В секции установлены лопасти S-образной формы. Секция снабжена каркасом в виде многоугольной призмы с поворотными ветронаправляющими экранами. Ветронаправляющие экраны установлены на каждой стороне многоугольной призмы с возможностью обеспечения плавного перетекания воздуха с них на лопасти S-образной формы ветровой турбины. Ветродвигатель выполнен в виде башни. Ветронаправляющие экраны выполнены поворотными с углом поворота от 0 до 90° с возможностью выполнения функции жалюзи и прикрытия каждой стороны каркаса. По углам ветронаправляющие экраны снабжены замками. В нижней части башни установлены машинный зал и операторское помещение. Технический результат заключается в повышении прочности конструкции, увеличении мощности ветродвигателя и снижении шума. 3 ил.

Ветродвигатель // 2551444

Изобретение может быть использовано для строительства ветроэнергетических установок с горизонтальной осью вращения и набегающим воздушным потоком. Ветродвигатель содержит горизонтальный вал, закрепленное на нем многолопастное колесо с внутренней и наружной обечайками, между которыми расположены основные лопасти первого энергетического уровня. Количество основных лопастей первого энергетического уровня равно диаметру наружной обечайки в метрах, а на внутренней поверхности наружной обечайки между основными лопастями дополнительно закреплены лопасти промежуточного энергетического уровня, связанные блокирующим кольцом. Использование изобретения позволяет значительно уменьшить диаметр ветроколеса в расчете на установленную мощность ветроэнергетической установки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Энергетическая установка // 2555090

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано как ветро(гидро)генератор, не имеющий лопастей. Изобретение основано на новом принципе построения энергетической установки на базе аэродинамического элемента (1) в виде крыла. Аэродинамический элемент (1) имеет симметричный профиль с эжекционными щелями (2) на его выпуклых поверхностях. Внутри аэродинамического элемента (1) сформирован канал с входом (3) на его торцевой поверхности, соединенный с эжекционными щелями (2). Канал выполнен с возможностью подачи проходящего по нему потока воздуха на турбину, соединенную с одним или несколькими электрогенераторами. Техническим результатом изобретения является уменьшение отрицательного влияния на окружающую среду со стороны энергетической установки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Ротор сегментного ветроэлектрогенератора // 2555425

Изобретение относится к ветроэлектрогенераторам. Ротор сегментного ветроэлектрогенератора содержит вал и полюсообразующие элементы. Полюсообразующие элементы выполнены в виде крестообразно расположенных параллелепипедов, в середине каждого из которых выполнено отверстие под вал. Нижний параллелепипед расположен в зоне нижнего статора, а верхний - в зоне верхнего статора. Технико-экономическим преимуществом ротора является технологичность, обусловленная тем, что полюсообразующие элементы - магнитопроводы - могут выполняться как из полос электротехнической стали, так и путем отсечения боковых поверхностей у роторов двигателей. 3 ил.

Ветровая электростанция // 2560238

Изобретение относится к области ветровых электростанций. Ветровая электростанция включает полимерную аэродинамическую трубу, армированную полимерными обручами и подвешенную на тросах к воздушному шару, систему подземных туннелей, соединенных с аэродинамической трубой через диафрагму. В туннелях находятся источники ветровой электрической энергии. В качестве источника электроэнергии используется ротор ветровой турбины, соединенный через редуктор с электрогенератором. Электрогенератор в свою очередь с другой стороны подключен через редуктор с ракетно-турбинным двигателем, реактивная газовая струя которого используется для продувки воздуха в аэродинамической трубе. Изобретение направлено на повышение производительности ветровых электростанций. 5 ил.

Роторный вертикальный ветродвигатель // 2561226

Изобретение относится к области ветроэнергетики. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции ветродвигателя и повышение его надежности. Роторный вертикальный ветродвигатель содержит вращающиеся основания, траверсы, приемники энергии, центральную стойку с поворотным основанием. Каждая пара приемников энергии выполнена в виде перекрещивающихся Λ-образных стоек, установленных на вращающихся основаниях нижних траверс. К вершинам стоек прикреплена верхняя траверса. Между торцами траверс установлены вертикальные стойки. К вертикальным стойкам прикреплены ветроприемные поверхности, между которыми размещены стягивающие пружины с поводками. 2 ил.