Гелиоветровая энергетическая установка
Изобретение относится к области возобновляемых источников энергии. Гелиоветровая энергетическая установка содержит лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри ветронаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси лопастной ветровой турбины и фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установленный на верхней крышке. Лопастная ветровая турбина состоит из параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом, диски образуют пустотелые барабаны, между внутренними поверхностями дисков жестко закреплены вертикальные лопасти, турбина размещена в центре ветронаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов, выполненных в совокупности с лопастями ветровой турбины в виде раскручивающихся спиралей, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу ветровой турбины, а концы отведены к периферии ветронаправляющего аппарата. Верхние края ветронаправляющих экранов соединены с верхней крышкой, нижние края соединены с нижней крышкой, образуя воздушные камеры сопла. В тело ветронаправляющих экранов встроены отсечные пластины, их концы, расположенные вблизи оси вращения турбины, установлены на ветронаправляющих экранах при помощи шарниров, выполненных с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси, а отсечные пластины односторонне прижаты к ветронаправляющим экранам прижимными механизмами. Изобретение направлено на повышение КПД и устойчивое электроснабжение конечного потребителя. 10 з.п. ф-лы, 7 ил.
Заявляемое изобретение относится к области возобновляемых источников энергии, а именно к преобразованию солнечной энергии и кинетической энергии ветра в электрическую энергию для питания нагрузок конечного потребителя, и может быть применена как в индивидуальном порядке, в жилых домах, а также в комплексе при оснащении системами альтернативной энергетики сельских поселений, коттеджных, дачных поселков, предприятий различного назначения и т.д.
Известен планетарный механизм парусной установки, применяемый для функционирования парусного ветрогенератора (пат. РФ №2481497 С2, МПК F03D 7/06, F03D 3/06, В63Н 9/06 опубл. 10.05.2013, Бюлл. №13), содержащий главную ось, первый привод и рабочую часть парусной установки. Первый привод дополнительно содержит поворотную рамку с несколькими ребрами, передаточный механизм, установленный на ребре, закрепленную шестерню, установленную на главной оси и находящуюся в зацеплении с передаточным механизмом, и вращательную шестерню, размещенную по краю поворотной рамки и находящуюся в зацеплении с передаточным механизмом. Рабочая часть парусной установки содержит одну ось вращения, которая размещена на краю поворотной рамки, рамку для щитков паруса, узел для изменения основания, подвижный стержень, выдвижной щиток и несколько щитков паруса. Когда рабочая часть парусной установки обращается вокруг главной оси, вращательная шестерня и рабочая часть парусной установки также приводятся во вращение. При этом вращательная шестерня обкатывается вокруг закрепленной шестерни в разные стороны.
Данное техническое решение имеет следующие недостатки: сложная конструкция передаточного планетарного механизма для осуществления функционирования парусного ветрогенератора ведет к снижению надежности преобразования, увеличению массы парусной установки и удорожает изготовление установки, а использование части полезного вращающего момента для работы планетарного механизма уменьшает КПД преобразования кинетической энергии ветрового потока.
Известно устройство ветрогенератора и конструкция лопасти ветрогенератора (пат. РФ №2529966 С2, МПК F03D 3/02, опубл. 10.10.2014, Бюлл. №28), включающее в себя каркас ветряной лопасти, валы ветряной лопасти, предусмотренные в каркасе ветряной лопасти, подвижные лопасти и стопоры лопастей. Стопоры лопастей являются выступающими элементами на каркасе лопасти или валу лопасти для блокирования подвижных лопастей, чтобы подвижные лопасти не могли вращаться, когда подвижные лопасти вращаются в положении, при котором они перекрываются с каркасом ветряной лопасти. Площади двух участков подвижной лопасти с обеих сторон вала ветряной лопасти не равны между собой. Также раскрыто устройство выработки энергии ветра, содержащее, по меньшей мере, один механизм ветряного колеса, который вращается вокруг вращающегося вала. Механизм ветряного колеса включает в себя, по меньшей мере, одну конструкцию лопасти. Устройство ветрогенератора и конструкция лопасти могут выдерживать нагрузку от воздействия сильного ветра без повреждения.
Указанное устройство имеет следующую конструктивную особенность: во время вращения многоярусного механизма ветряного колеса большое количество вращающихся лопастей, воспринимающих ветровую нагрузку, будут ударяться о стопоры, создавая высокий уровень механического шума, а поверхность лопастей, движущихся против ветрового потока, имеющих низкое сопротивление, и поверхность движущихся против ветрового потока дугообразных каркасов будут рассекать встречный воздушный поток, образовывая повышенный уровень аэродинамического шума. Отсутствие вокруг ветряного колеса ветронаправляющих экранов, обеспечивающих уменьшение давления ветра на нерабочие лопасти турбины, повышение давления и обеспечение оптимального направления с закручиванием ветрового потока на рабочие лопасти турбины снижают эффективность преобразования.
Известна ветрогенераторная башня (пат. РФ №2642706 С2, МПК F03D 3/04, F03D 3/06, опубл. 25.01.2018, Бюлл. №3), включающая ветросборный участок и участок преобразования энергии, и содержащая множество уровней ветрозаборников, через которые поступает ветер, проникающий далее через внутренний объем башни ветрогенератора и выводимый наружу, при этом ветросборный участок имеет множество ветрозаборников и множество ветровых выходов, причем вокруг центра башни ветрогенератора радиально расположено множество ветронаправляющих стенок таким образом, что ветер, поступающий через ветрозаборники, течет радиально в направлении участка преобразования энергии через ветровые выходы, ветровая турбина с вертикальным валом, имеющая вертикальные лопасти в пространстве, образуемом в центре каждого из уровней башни ветрогенератора, установлена в участке преобразования энергии таким образом, что между ветронаправляющими стенками и вертикальными лопастями образован ветровой канал длиной не менее 1 м, а ветер, поступающий через ветрозаборники и ветровые выходы ветросборного участка, течет по ветровому каналу, образованному радиально в направлении участка преобразования энергии, и выводится наружу от башни ветрогенератора.
Недостатками данного устройства являются снижение выходной мощности генерации при штормовой скорости воздушного потока, связанное с отсутствием механизмов ограничения входной мощности ветрового потока и продолжением эффективной генерации, а также значительное увеличение габаритов всего устройства.
Известен ветроэнергогенератор (пат. РФ №2422673, МПК F03D 3/06, F03D 3/04, опубл. 27.06.2011 г., Бюлл..№18), содержащий размещенный внутри неподвижной обоймы ветронаправляющих пластин ротор с вертикальной осью вращения, образованный прикрепленными к несущему цилиндру лопастями с образованием вдоль их основания между ними и несущим цилиндром щелевого диффузора, каждая из которых снабжена на фронтальной стороне своей плоскости выполненными продольными по длине лопастей основными завихрителями, которые выполнены в виде выступов, перпендикулярных плоскости лопастей, а на тыльной стороне плоскости каждой из лопастей на ее вертикальной кромке, ближней к несущему цилиндру, выполнен дополнительны Δ-образную форму, при этом боковая грань продольного утолщения, обращенная к несущему цилиндру, выполнена выпуклой.
Недостатками известного ветрогенератора являются использование неподвижной обоймы ветронаправляющих пластин только для закручивания ветрового потока, отсутствие эффекта значительного повышения давления на рабочие лопасти турбины и уменьшения давления ветра на нерабочие лопасти турбины, при этом часть воздушного потока через щелевой диффузор ротора, образованный между основаниями лопастей и несущим цилиндром будет перетекать за лопастное пространство не совершая полезной работы, что в целом ведет к снижению КПД ветрогенератора.
Кроме того, известны аналогичные технические решения: ветродвигатель (пат. РФ №2074980, МПК F03D 3/04, опубл. 10.03.1997), ветродвигатель (пат. РФ №2237822, МПК F03D 3/04, опуб. 10.10.2004), роторная ветроэлектростанция (пат. РФ №2362906, МПК F03D 3/04, опубл. 27.07.2009) с вертикальными осями вращения турбин, установленных внутри воздухонаправляющих аппаратов, где воздухонаправляющий аппарат выполнен в виде системы ветронаправляющих экранов, ветронаправляющих стен, системы поворотных ветронаправляющих экранов, кольцевого направляющего аппарата.
Общим недостатком известных технических решений является недостаточный коэффициент использования энергии ветра, связанный с отсутствием верхней крышки, жестко соединенной с неподвижными частями воздухонаправляющих аппаратов, так как входящий ветровой поток в ветронаправляющий аппарат в зоне максимального сжатия, находящийся ближе к турбине, будет испытывать дополнительное сопротивление лопастей турбины, а часть сжатого воздушного потока изменяет направление и отводится вверх от установок, не совершая полезной работы.
Известна ветроэнергетическая установка (пат. РФ №2251022, МПК F03D 3/00, F03D 3/04, опубл. 27.04.2005, Бюлл. №12), принятая за прототип, содержащая ветряное колесо с лопастной ветровой турбиной с вертикальной осью вращения, расположенной внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси ветровой турбины, накопитель энергии и блок управления, установка дополнительно содержит фотоэлектрический преобразователь световой энергии, фотоэлектрические элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата и связаны с накопителем энергии. В центре верхней крышки воздухонаправляющего аппарата установлена воздухоотводящая труба, в которой на верхнем конце оси вращения ветровой турбины установлен электрический генератор.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом:
- ветряное колесо с лопастной ветровой турбиной имеет вертикальную ось вращения;
- ветровая турбина расположена внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата;
- наличие у воздухонаправляющего аппарата нижней и верхней крышки;
- фотоэлектрический преобразователь световой энергии установлен на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата.
К недостаткам установки по прототипу можно отнести низкую эффективность использования энергии ветрового потока, обусловленную конструктивными особенностями воздухонаправляющего аппарата, приводящими к тому, что часть ветрового потока со всей боковой вертикальной площади установки отражается от профилированных направляющих лопастей в сторону, не совершая полезной работы. При этом отсутствует эффект повышения давления ветрового потока на рабочие лопасти турбины, что не позволяет преобразовывать энергию низкопотенциальных ветровых потоков и что приводит к снижению коэффициента использования энергии ветра ξ и соответственно к снижению КПД.
Задачей предлагаемого изобретения является создание гелиоветровой энергетической установки, обеспечивающей комплексное использование энергии солнца и ветра для выработки электрической энергии.
Технический результат при реализации предлагаемой гелиоветровой энергетической установки заключается в комплексном использовании энергии солнца и ветра для выработки электрической энергии, независимо от направления ветрового потока в широком диапазоне скорости движения воздушных масс путем уменьшения давления ветра на нерабочие лопасти турбины, повышения давления на рабочие лопасти турбины и обеспечения оптимального направления с закручиванием ветрового потока, использования энергии ветра со всей боковой вертикальной площади установки. При этом достигается устойчивая работы установки в широком диапазоне скорости ветрового потока, увеличения светового потока на фотоэлектрический преобразователь, за счет увеличения площади поглощения отраженных световых потоков, общего повышения КПД и увеличения надежности электроснабжения конечного потребителя.
Технический результат достигается тем, что в известной гелиоветровой энергетической установке, содержащей лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси ветровой турбины, фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установленный на верхней крышке,
лопастная ветровая турбина состоит из параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом, диски образуют пустотелые барабаны, между внутренней поверхностью дисков жестко закреплены вертикальные лопасти, турбина размещена в центре ветронаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов, выполненных в совокупности с лопастями ветровой турбины в виде раскручивающихся спиралей, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу ветровой турбины, а концы отведены к периферии ветронаправляющего аппарата, верхние края ветронаправляющих экранов соединены с верхней крышкой, нижние края соединены с нижней крышкой, образуя воздушные камеры сопла, в тело ветронаправляющих экранов встроены отсечные пластины, их концы, расположенные вблизи оси вращения турбины, установлены на ветронаправляющих экранах при помощи шарниров, выполненных с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси, а отсечные пластины односторонне прижаты к ветронаправляющим экранам прижимными механизмами.
Целесообразно поверхность фотоэлектрического преобразователя со стороны падающей солнечной энергии выполнять рельефной и покрытой слоем прозрачного для солнечного излучения материала.
Рекомендуется фотоэлектрический преобразователь выполнять в виде секторов, соединенных боковыми поверхностями, выходы которых имеют последовательно-параллельное электрическое соединение и объединены в общую электрическую цепь.
Рационально статорные обмотки электрогенератора выполнять с возможностью переключения по схеме звезды или треугольника в зависимости от скорости ветрового потока.
Рекомендуется площадь поверхности отсечных пластин и усилие прижатия прижимных механизмов отсечных пластин к ветронаправляющим экранам устанавливать в соответствии с максимально допустимой скоростью вращения ротора электрогенератора.
Гелиоветровая энергетическая установка может быть конструктивно выполнена в виде модулей, с возможностью вертикальной сборки.
Рационально между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами вблизи ветровой турбины устанавливать на верхнюю и нижнюю крышки дополнительные ветронаправляющие экраны, ориентированные соответственно с направлением ветронаправляющих экранов.
Рекомендуется в каждом пустотелом барабане устанавливать одинаковое число вертикальных спиралевидных лопастей.
Число лопастей турбины в каждом пустотелом барабане может быть различно.
Целесообразно лопасти ветровой турбины в каждом пустотелом барабане располагать равномерно по кругу.
Рационально вокруг ветровой лопастной турбины между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами и дополнительными экранами размещать по окружности фрагменты плоских кольцеобразных пластин, лежащих в одной плоскости с дисками ветровой лопастной турбины и формирующих секции ветронаправляющего агрегата.
Целесообразно по меньшей мере одну из кольцеобразных пластин выполнять в виде соосного с вертикальным поворотным валом усеченного конуса, вершина которого обращена к нижней крышке.
Заявленная гелиоветровая энергетическая установка имеет существенные отличия от наиболее близких аналогов и прототипа, следовательно, заявленное решение удовлетворяет условию патентоспособности изобретения «новизна». При этом заявленная совокупность существенных признаков позволяет комплексно использовать энергию солнца и ветра для выработки электрической энергии, независимо от направления ветрового потока в широком диапазоне скорости движения воздушных масс путем уменьшения давления ветра на нерабочие лопасти турбины, повышения давления на рабочие лопасти турбины и обеспечения оптимального направления с закручиванием ветрового потока, использования энергии ветра со всей боковой вертикальной площади установки, что позволяет считать изобретение удовлетворяющим условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен осевой разрез установки, на фиг. 2, 3, 4, 5 представлено горизонтальное сечение гелиоветровой энергетической установки и показано направление движения воздушных потоков, на фиг. 6 изображен ветронаправляющий экран в сечении горизонтальной плоскостью, на фиг. 7 приведена электрическая схема переключения статорных обмоток электрогенератора.
Гелиоветровая энергетическая установка (фиг. 1, 2) содержит лопастную ветровую турбину 1 с вертикальной осью вращения 2, расположенную внутри лопастного воздухонаправляющего аппарата с нижней 3 и верхней 4 крышками, электрогенератор 5 на оси ветровой турбины, фотоэлектрический преобразователь 6 световой энергии, установленный на верхней крышке 4.
Турбина 1, состоит из параллельных дисков 7, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом 8. Диски 7 образуют пустотелые барабаны, а между внутренней поверхностью дисков жестко закреплены вертикальные лопасти 9, лопастная ветровая турбина 1 размещена в центре равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15, выполненных в совокупности с лопастями 9 (фиг. 2) лопастной ветровой турбины 1 в виде раскручивающихся спиралей, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу 8 ветровой турбины 1, а концы отведены к периферии. Верхние края ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15 (фиг. 2) соединены с верхней крышкой 4, а нижние соединены с нижней крышкой 3, образуя воздушные камеры сопла 16, 17, 18, 19, 20, 21, предназначенные для защиты от встречного воздушного потока нерабочих лопастей турбины 1, обеспечивающие закручивание ветрового потока с оптимальнвм углом его подачи на лопасти и увеличивающие давление воздушного потока на рабочие лопасти 9 турбины 1. Это достигается за счет уменьшения площади поперечного сечения сопел воздушных камер 16, 17, 18, 19, 20, 21. В тело ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15, встроены отсечные пластины 22, 23, 24, 25, 26, 27, концы их, расположенные ближе к оси вращения турбины 1, установлены на ветронаправляющих экранах при помощи шарниров 28, 29, 30, 31, 32, 33, выполненных с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин 22, 23, 24, 25, 26, 27. Отсечные пластины 22, 23, 24, 25, 26, 27 односторонне прижаты к ветронаправляющим экранам прижимными механизмами 34, 35, 36, 37, 38, 39. Направление вращающего момента прижатия изображено в виде дугообразных стрелок.
Фотоэлектрический преобразователь 6 (фиг. 1) фрагментарно встроен в верхнюю крышку 4 и состоит из нескольких соединенных боковыми поверхностями секторов фотоэлектрических преобразователей, выходы которых имеют последовательно-параллельное электрическое соединение и объединены в общую электрическую цепь. Фотоэлектрический преобразователь 6 имеет покрытие 40 с рельефной поверхностью со стороны падающей солнечной энергии по всей горизонтальной площади, выполненное из прозрачного для солнечного излучения материала, предназначенное для защиты от абразивных частиц и увеличения площади поглощения отраженных световых потоков. Нижняя часть фотоэлектрического преобразователя 41 является подложкой и радиатором охлаждения фотоэлементов.
Статор электрогенератора 5 (фиг. 7) выполнен с трехфазными статорными обмотками 42, которые при низкой скорости вращения путем замыкания коммутатора 43 соединяется в звезду, а при высокой скорости вращения путем размыкания коммутатора 43 и последующего включения коммутатора 44 соединяются в треугольник, уменьшая напряжение и увеличивая силу выходного тока, отдаваемого электрогенератором на выход 45 в сеть.
Вертикальный поворотный вал 8 (фиг. 1), на котором укреплена турбина 1, выполнен с возможностью вращения вокруг вертикальной оси 2. На лопастной ветровой турбине 1 установлены параллельные диски 7, скрепленные осевыми отверстиями с поворотным валом 8, образуя пустотелые барабаны, а между внутренними поверхностями дисков 7 жестко закреплены вертикальные лопасти 9 (фиг. 1, 2), концы которых вделаны в поворотный вал 8 и выполнены в виде раскручивающихся от оси вращения 2 лопастной ветровой турбины 1 спиралей в сторону, противоположную направлению вращения.
Поворотный вал 8 механически связан с валом электрогенератора 5.
Основная функция параллельных дисков 7 в конструкции ветроколеса турбины 1 состоит в повышении механической прочности лопастной ветровой турбины 1.
Вокруг ветровой турбины 1 (фиг. 1, 2), между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами 10, 11, 12, 13, 14, 15, по окружности размещены дополнительные вертикальные экраны 46, 47, ориентированные соответственно с направлением ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15. Они способствуют уменьшению вихревых эффектов и обеспечивают ламинарное движение воздушного потока, направленного на лопасти турбины.
На воздухонаправляющем аппарате, вокруг лопастной ветровой турбины 1 между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами 10, 11, 12, 13, 14, 15 и дополнительными вертикальными экранами 46, 47, размещены по окружности фрагменты плоских кольцеобразных пластин 48, формирующих кольцеобразные секции, плоскости которых совмещены с дисками турбины 7, образующими в совокупности с ними горизонтальные дискообразные плоскости, служащие для уменьшения движения сжатых воздушных потоков в осевом направлении.
По меньшей мере одна из кольцеобразных пластин 49 может быть выполнена в виде соосного с вертикальным поворотным валом усеченного конуса, вершина которого обращена к нижней крышке. Таким образом создаются пустотелые усеченные конусы, служащие для создания воздушным потоком подъемной силы направленной на диск турбины вверх в осевом направлении, уменьшающей давление на подшипники.
Гелиоветровая энергетическая установка работает следующим образом. На фиг. 3 стрелками показаны направления движения воздушных потоков в воздухонаправляющем аппарате и лопастной ветровой турбине 1. Ветровой поток со всей боковой площади установки поступает в воздушные камеры сопла 18, 19, образованные жестко соединенными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами 12, 13, 14, с нижней крышкой 3 и верхней крышкой 4. Спиралевидная форма ветронаправляющих экранов 10, 11, 12, 13, 14, 15 обеспечивает закручивание ветрового потока, оптимизирует угол его подачи на лопасти турбины 1, увеличивает давление воздушного потока на лопасти 9 за счет уменьшения площади поперечного сечения воздушных камер сопел 18, 19, что приводит к увеличению скорости вращения лопастной ветровой турбины 1. В воздушных камерах 17 и 20, сопряженных с воздушными камерами 18 и 19, за счет отражения воздушных потоков от ветронаправляющих экранов 12 и 14, образуются безветренные разреженные области с более низким давлением.
Под действием вращающего момента, создаваемого давлением сжатых воздушных масс (фиг. 3) на рабочие лопасти 9, в воздушных камерах 18, 19, лопастная ветровая турбина 1 начинает вращение вокруг вертикальной оси 2. Сжатые воздушные массы воздушной камеры 19 находящиеся в зоне турбины 1, при вращении турбины попадают в воздушную камеру 20 с более низким давлением и, расширяясь, отталкиваются от лопасти и придают дополнительное ускорение турбине 1, совершая полезную работу. Отходящий от лопастной ветровой турбины 1 поток повышает давление в воздушной камере 20, и сталкиваясь с потоком ветра, огибающим установку слева, изменяет направление с образованием вихревых эффектов и закручиванием его в правую сторону. Перенаправленный поток отражается от ветронаправляющего экрана 15 и разделяется на две части. Одна часть ветрового потока отводится из воздушной камеры 20 в сторону от установки, где объединенный ветровой поток продолжает свое движение, огибая установку слева. Другая часть ветрового потока создает положительный вращающий момент на уходящую лопасть турбины в воздушную камеру 21, увеличивая эффективность преобразования, и далее перетекает за лопастное пространство.
Вокруг лопастной ветровой турбины 1 между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами 14 и 15 размещен неподвижный дополнительный вертикальный экран 46, ориентированный в соответствии с расположением ветронаправляющих экранов 14, 15. Дополнительный вертикальный экран 46 уменьшает образование вихревых эффектов в воздушной камере 20 и разделяет потоки расширяющихся воздушных масс и части воздушного потока, образованного за счет энергии, направленной на лопасти ветровой турбины 1, так как их направления противоположны.
Кроме того, объединенные массы потоков ветра, огибающих установку слева, справа, сверху и возможно снизу (при монтаже установки на опоре) с образованием отходящего ветрового потока, формируют в воздушных камерах 21 и 16 области низкого давления за счет отражения ветровых потоков от неподвижных ветронаправляющих экранов 15, 11 и энергии массы объединенного отходящего ветрового потока.
Величина создаваемого вращающего момента на лопасти 9 имеет прямую зависимость от скорости ветра: чем больше скорость ветра, тем меньше величина давления в воздушных камерах 21, 16, и больше момент от давления приращенной массы в воздушной камере 20 и, соответственно, больше перепад давлений между сопряженными воздушными камерами 20 и 21. Одновременно снижается лобовое сопротивление лопастей турбины 1 воздушным потокам, проходящим через воздушные камеры 21 и 16, за счет увеличения разреженности в связи с возрастанием скорости отходящих воздушных масс. Процесс образования суммарных моментов силы, приложенных к лопастям турбины, увеличивает ее скорость вращения и обеспечивает значительное повышение КПД установки.
Вращение лопастной ветровой турбины 1 передается поворотному валу 8, который механически связан с валом электрогенератора 5 (фиг. 1), ротор которого, вращаясь, наводит ЭДС в обмотках 42 статора и преобразует механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию. Статор (фиг. 7) электрогенератора 5 содержат трехфазные обмотки 42, при низкой скорости вращения ротора обмотки соединены в звезду с помощью замыкания контактов коммутатора 43, а при высокой скорости ротора обмотки 42 переключаются в треугольник с помощью размыкания контактов коммутатора 4 3 и замыкания контактов коммутатора 44, уменьшая напряжение, и увеличивая силу выходного тока электрогенератора на выходе 45.
При продолжающемся увеличении скорости ветрового потока (фиг. 4), возрастает давление в воздушных камерах соплах 18, 19. В сопряженной с камерой 18 воздушной камере 17 за счет отражения воздушного потока от ветронаправляющего экрана 12 образуется безветренная область с более низким давлением. Вращающий момент прижатия 34, 35, 36, 37, 38, 39, всех прижимных механизмов отсечных пластин к ветронаправляющим экранам 10, 11, 12, 13, 14, 15, отрегулирован на срабатывание, при котором скорость вращения электрогенератора 5 приближается к максимально допустимой.
Если вращающий момент, создаваемый давлением ветрового потока в воздушной камере 18 превысит вращающий момент прижатия прижимного механизма 36 отсечной пластины 24 к ветронаправляющему экрану 12, отсечная пластина 24 под действием силы давления ветрового потока ограниченно поворачивается вокруг вертикальной оси на шарнирном механизме 30, отводит часть воздушного потока в воздушную камеру 17, где воздушный поток, отражаясь от ветронаправляющего экрана 11, не совершая полезной работы, отводится в сторону от установки. При этом давление воздушного потока в рабочей камере 18 уменьшится, снижается давление на рабочие лопасти 9 турбины, что приводит к снижению скорости вращения ротора электрогенератора 5. Статорные обмотки 42 электрогенератора 5 соединяются в звезду, увеличивая выходное напряжение и снижая силу выходного тока. При дальнейшем повышении скорости ветрового потока возрастет давление в воздушных камерах соплах 18, 19 и, соответственно, скорость вращения электрогенератора 5, а обмотки 42 электрогенератора 5 включаются в треугольник, уменьшая напряжение, и увеличивая силу выходного тока, отдаваемого в сеть 45.
При последующем возрастании (фиг. 5) скорости ветрового потока до штормового и приближении скорости вращения ротора электрогенератора 5 к максимально допустимой, разность давления в воздушных камерах 18 и 19 продолжит увеличиваться из-за открытого проема отсечной пластины 24 в ветронаправляющем экране 12. Вращающий момент от давления сжатого ветрового потока в воздушной камере 19 превышает момент прижатия прижимного механизма 37 отсечной пластины 25 к ветронаправляющему экрану 13. Отсечная пластина 25, ограниченно поворачиваясь вокруг вертикальной оси на шарнирном механизме 31, отводит часть воздушного потока в воздушную камеру 18 через проем, образованный в ветронаправляющем экране 13, и полностью отсекает от воздушного потока рабочие лопасти 9 турбины 1 в воздушной камере 18 и тем самым исключает из работы воздушную камеру 18. Часть воздушного потока через проем, образованный открытой отсечной пластиной 25 в ветронаправляющем экране 13 и проем, образованный открытой отсечной пластиной 24 в ветронаправляющем экране 12, отражаясь от ветронаправляющего экрана 11 воздушной камеры 17, и не совершая полезной работы, отводится в правую сторону от установки. При этом давление воздушного потока в оставшейся рабочей камере 19 снижается, уменьшается момент давления на лопасти 9 лопастной ветровой турбины 1, скорость вращения ее и соответственно ротора электрогенератора 5 снижается, обмотки 42 электрогенератора 5 соединяются в звезду, увеличивая выходное напряжение и снижая силу выходного тока электрогенератора. При дальнейшем повышении скорости ветрового потока возрастает давление в оставшейся воздушной камере 19 и соответственно скорость вращения электрогенератора, обмотки электрогенератора 5 включаются в треугольник, уменьшая напряжение, и увеличивая силу выходного тока электрогенератора. В случае дальнейшего возрастания скорости ветрового потока, выше расчетных значений, срабатывают защитные средства торможения турбины 1.
При уменьшении скорости ветрового потока снижается давление в воздушных камерах сопла 18, 19, уменьшается давление на лопасти ветровой турбины 1 в оставшейся воздушной камере 19, скорость вращения турбины 1 и соответственно скорость вращения ротора электрогенератора 5 снижаются, а обмотки 42 электрогенератора соединяются в звезду, увеличивая выходное напряжение и снижая силу выходного тока электрогенератора.
Дальнейшее снижение скорости ветрового потока, снижает давление в воздушных камерах 18, 19 до величины, при которой момент сопротивления прижимного механизма 36 превысит момент давления ветрового потока на отклоненную отсечную пластину 24. Отсечная пластина 24 под действием вращающего момента прижимного механизма 36, ограничено поворачиваясь вокруг вертикальной оси на шарнирном механизме 30, прижимается к ветронаправляющему экрану 12, давление воздушного потока в воздушных камерах соплах 18, 19, уравнивается через проем в ветронаправляющем экране 13, образованный отклоненной отсечной пластиной 25. Отсечная пластина 25 под действием вращающего момента прижимного механизма 37, ограничено поворачивается вокруг вертикальной оси на шарнирном механизме 31, прижимается к ветронаправляющему экрану 13, открывает для воздушного потока рабочие лопасти 9 ветровой турбины 1 в воздушной камере 18 и возвращает гелиоветровую энергетическую установку в начальное состояние.
Фотоэлектрический преобразователь 6 (фиг. 1) состоит из нескольких соединенных боковыми поверхностями секторов, которые скомбинированы с верхней крышкой, обеспечивающей горизонтальное положение секций фотоэлектрических преобразователей. Эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию в данном конструктивном решении имеет прямую зависимость от положения солнца над уровнем горизонта. Фотоэлектрический преобразователь 6 имеет покрытие 40 с рельефной поверхностью со стороны падающей солнечной энергии по всей горизонтальной площади, выполненное из прозрачного для солнечного излучения материала, предназначенное для защиты от абразивных частиц и увеличения площади поглощения отраженных световых потоков. Нижняя часть 41 фотоэлектрического преобразователя 6, выполняет роль подложки и радиатора охлаждения фотоэлементов.
Повышение возможности функционирования гелиоветровой энергетической установки в широком диапазоне скоростей ветрового потока обеспечивается за счет переключения статорных обмоток электрогенератора, применения отсечных пластин, которые при приближении скорости электрогенератора к максимально допустимой, отводят или отсекают часть воздушного потока от рабочих лопастей турбины и тем самым снижают давление в оставшихся рабочих камерах соплах, уменьшают скорость вращения ротора электрогенератора и обеспечивают бесперебойное электроснабжение потребителей.
Технический результат при реализации предлагаемой энергетической установки заключается в комплексном использовании энергии солнца и ветра для выработки электрической энергии независимо от направления ветрового потока Уменьшение давления ветра на нерабочие лопасти турбины, повышение давления и обеспечение оптимального направления с закручиванием ветрового потока на рабочие лопасти турбины, использование энергии ветра со всей боковой вертикальной площади установки, обеспечивает работу установки при скорости ветрового потока менее 1 м/с, и позволяет преобразовывать энергию низко потенциальных ветровых потоков, а также эффективную работу в широком диапазоне скоростей ветрового потока, что суммарно ведет к общему повышению КПД и увеличивает надежность электроснабжения нагрузок конечного потребителя даже при штормовой скорости воздушных потоков, когда известные ветровые установки отключаются устройствами торможения для защиты от перенапряжения электрогенератора.
Заявляемая электроэнергетическая установка имеет ряд значимых преимуществ, перед известными техническими решениями с горизонтальной осью круглого вращения, в частности: отсутствует эффект срывания ветрового потока с рабочих лопастей турбины, конструктивное расположение турбины установки в центре неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов полностью исключает эффект мерцания, воздушные камеры сопла сглаживают порывы ветрового потока, тем самым снижают пульсацию напряжения на выходе электрогенератора. В ветровых генераторах с горизонтальной осью круглого вращения конструктивной необходимостью является наличие основных элементов: фундамента, башни, поворотного механизма, гондолы, трансмиссии, обтекателя и т.д., что значительно усложняет их конструкцию и монтаж.
При этом преимуществом заявляемой установки является также простота конструкции, и улучшенные массогабаритные характеристики, что существенно снижает площадь для ее монтажа. Реализация модульного принципа построения увеличивает надежность, допускает возможность вертикальной сборки нескольких установок, упрощает монтаж и техническое обслуживание. Расположение гелиоветровых энергетических установок на незначительном расстоянии от потребителя электрической энергии значительно упрощает и снижает расходы на передачу электрической энергии.
Ниже приведен пример расчета опытного образца предлагаемой установки с заданными габаритными размерами:
высота камеры - 3,5 м; ширина входа одной камеры - 3 м. Входная площадь одной камеры составляет: S1=3,5*3=10,5 м2.
Боковая площадь установки зависит от направления ветрового потока и соответствует следующим значениям:
Максимальная боковая входная площадь установки Smax=21 м2
Минимальная боковая входная площадь установки Smin=15,6 м2
Площадь боковой поверхности данного образца соответствует обметаемой площади (S2) установки с горизонтальной осью вращения и диаметром ротора D=5 м;
S2=1/4*п*D2, где S2 - обметаемая площадь; п-3,14; D -диаметр ротора; S2=19,6 м2
В зависимости от среднегодовой скорости ветровых потоков в данном регионе допускается изменение входной боковой вертикальной площади воздушных камер сопел для обеспечения оптимальных режимов работы установки путем изменения длины спиралевидных ветронаправляющих экранов. Наиболее приоритетные места размещения гелиоветровых энергетических установок для их эффективной работы - крыши высотных зданий, вспомогательных сооружений, заводов, цехов, гаражей, водонапорных башен и т.д.
Естественные потери мощности ветрового потока, связанные с трением ветра о ветронаправляющие экраны и потери энергии ветрового потока в зонах максимального давления через щелевые зазоры между турбиной верхней и нижней крышкой, между рабочими лопастями турбины и ветронаправляющими экранами незначительны.
Выполнение гелиоветровой энергетической установки в соответствии с изобретением позволит повысить ее эксплуатационную эффективность. По сравнению с известными ветровыми установками обеспечивается значительное повышение коэффициента использования энергии ветра (ξ), который определяется как отношение механической мощности на валу ветроколеса (Рвк) к мощности ветрового потока (Р):
ξ=Рвк/Р
Коэффициент использования энергии ветра определяет максимум части энергии ветрового потока, которая может быть использована ветродвигателем. В предлагаемой энергетической установке при скорости ветрового потока от минимально эффективной до скорости, при которой произойдет срабатывание отсечной пластины, коэффициент использования энергии ветра (ξ) практически приблизится к теоретическому максимуму.
Основные технические преимущества заявляемой установки уменьшение давления потока ветра на лобовую площадь нерабочих лопастей турбины, повышение вращающего момента и обеспечение оптимального направления с закручиванием ветрового потока на рабочие лопасти турбины, использование энергии ветра со всей боковой вертикальной площади установки, позволяет повысить коэффициент использования энергии ветра (ξ), перед известными техническими решениями с вертикальными осями вращения, например, ротором Савоуниса, ротором Дарье и т.д.
В установках с горизонтальными осями вращения присутствуют потери энергии при преобразовании энергии аэродинамических сил ветрового потока в механическую энергию вращающегося колеса, связанные с образованием вихрей, сходящих с концов лопастей ротора, потерь на кручение струи, потерь, происходящих следствие неполного использования всей ометаемой площади крыла, а в установках большой мощности необходимостью является применение механического редуктора (мультипликатора), передающего вращающий момент ветроколеса ротору электрогенератора, что снижает надежность и уменьшает коэффициент использования энергии ветра.
Процесс образования суммарных моментов силы, приложенных к лопастям турбины, увеличивает ее осевую скорость и обеспечивает значительное повышение коэффициента использования энергии ветра (ξ) предлагаемой гелиоветровой энергетической установки перед известными техническими решениями с горизонтальными осями вращения. В отличие от них предлагаемая установка использует не ометаемую лопастями ротора площадь потока ветра, а всю входную боковую площадь гелиоветровой энергетической установки, состоящей из общей площади проемов воздушных камер сопел, обращенных входами к ветровому потоку, осуществляя использование всей входящей массы и момента аэродинамического давления воздушного потока для эффективного преобразования.
Основные значимые преимущества гелиоветровой энергетической установки - образование суммарных моментов силы приложенных к лопастям турбины, использование для преобразования не только энергии лобовой площади ветрового потока, но и дополнительных моментов силы сопутствующих энергий, энергию расширяющихся воздушных масс, энергию приращенной воздушной массы и энергию массы отходящего ветрового потока, приводят к повышению коэффициента использования энергии ветра (ξ).
Взаимодействие между собой различных моментов силы приложенных к лопастям турбины является нелинейным и зависит от величины входной площади воздушного потока установки, которая в свою очередь связанна с направлением ветрового потока, конструктивными характеристиками и законами аэродинамики. В частности, когда входная площадь установки по отношению к ветровому соответствует максимальному значению, энергия приращенной воздушной массы отсутствует, но потери энергии компенсируется увеличением энергии массы отходящего ветрового потока за счет увеличения площади отражения ветрового потока и соответственно увеличения области разряженного давления за установкой.
Из приведенного выше описания заявляемого изобретения для каждого специалиста в данной области очевидна возможность его реализации, что позволяет считать его соответствующим условию патентоспособности и критерию "промышленная применимость".
Предлагаемое изобретение способствует созданию гелиоветровой энергетической установки, обеспечивающей эффективное преобразование энергии ветра в электрическую энергию независимо от направления ветрового потока в широком диапазоне скорости движения воздушных масс.
1. Гелиоветровая энергетическая установка, содержащая лопастную ветровую турбину с вертикальной осью вращения, расположенную внутри ветронаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси лопастной ветровой турбины, фотоэлектрический преобразователь световой энергии, установленный на верхней крышке, отличающаяся тем, что лопастная ветровая турбина выполнена в виде параллельных дисков, скрепленных осевыми отверстиями с поворотным валом, диски образуют пустотелые барабаны, между внутренними поверхностями дисков жестко закреплены вертикальные лопасти, турбина размещена в центре ветронаправляющего аппарата, выполненного в виде равномерно распределенных по окружности вертикальных неподвижных спиралевидных ветронаправляющих экранов, выполненных в совокупности с лопастями ветровой турбины в виде раскручивающихся спиралей, начала которых закреплены на вертикальном поворотном валу ветровой турбины, а концы отведены к периферии ветронаправляющего аппарата, верхние края ветронаправляющих экранов соединены с верхней крышкой, нижние края соединены с нижней крышкой, образуя воздушные камеры сопла, в тело ветронаправляющих экранов встроены отсечные пластины, их концы, расположенные вблизи оси вращения турбины, установлены на ветронаправляющих экранах при помощи шарниров, выполненных с возможностью ограниченного поворота отсечных пластин вокруг вертикальной оси, а отсечные пластины односторонне прижаты к ветронаправляющим экранам прижимными механизмами.
2. Гелиоветровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что поверхность фотоэлектрического преобразователя со стороны падающей солнечной энергии выполнена рельефной и покрыта слоем прозрачного для солнечного излучения материала.
3. Гелиоветровая энергетическая установка по п. 2, отличающаяся тем, что фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде секторов, соединенных боковыми поверхностями, выходы которых имеют последовательно-параллельное электрическое соединение и объединены в общую электрическую цепь.
4. Гелиоветровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что статорные обмотки электрогенератора выполнены с возможностью переключения по схеме звезды или треугольника в зависимости от скорости ветрового потока.
5. Гелиоветровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что площадь поверхности отсечных пластин и вращающий момент прижатия прижимных механизмов отсечных пластин к ветронаправляющим экранам выбираются в соответствии с максимально допустимой скоростью вращения ротора электрогенератора.
6. Гелиоветровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что она конструктивно выполнена в виде модулей с возможностью вертикальной сборки.
7. Гелиоветровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами вблизи ветровой турбины на верхнюю и нижнюю крышки установлены дополнительные ветронаправляющие экраны, ориентированные соответственно с направлением ветронаправляющих экранов.
8. Гелиоветровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что в каждом пустотелом барабане лопастной ветровой турбины установлено одинаковое число вертикальных спиралевидных лопастей.
9. Гелиоветровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что число лопастей турбины в каждом пустотелом барабане различно.
10. Гелиоветровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что лопасти ветровой турбины в каждом пустотелом барабане расположены равномерно по кругу.
11. Гелиоветровая энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что вокруг ветровой лопастной турбины между вертикальными неподвижными спиралевидными ветронаправляющими экранами и дополнительными экранами размещены по окружности фрагменты плоских кольцеобразных пластин, лежащих в одной плоскости с дисками ветровой лопастной турбины и формирующих секции ветронаправляющего аппарата.
