RU2157920C2 - Ветроэлектростанция - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к ветряным электрическим станциям (ВЭС). Технический результат заключается в повышении надежности и технологичности конструкции, достигается за счет того, что в ветроэлектростанции, содержащей ориентированные по направлениям господствующих ветров конфузоры и турбогенератор, включающий электрический генератор и турбину с лопатками, согласно изобретению поперечное сечение конфузора по всей осевой длине имеет форму квадрата, при этом конфузоры выполнены в виде отдельных секций, толщина стенок которых изменяется пропорционально нагрузке, каждая секция содержит наружные элементы жесткости, образующие равнобедренные прямоугольные треугольники, а сопла конфузоров в виде прямоугольников расположены слева и справа от турбины с вертикальной осью вращения, насаженной на вал генератора выше последнего, представляющего собой асинхронный электродвигатель в рекуперативном режиме, причем лопатки турбины изготовлены в форме прямоугольных тарелок с отверстиями, находящимися на дне последних в шахматном порядке. 5 ил.

Description

Изобретение относится к ветряным электрическим станциям (ВЭС) и предназначено для производства электроэнергии в экономически обоснованных случаях.

Известна ВЭС, содержащая цилиндрический корпус с входным конфузором и выходным диффузором, в средней части которого находятся лопастные ветроколеса, валы которых расположены в плоскости, перпендикулярной оси корпуса, с образованием многоугольника и кинематически связаны между собой (См. А.С. N 1815413. Кл. F 03 D 3/04).

Недостатком данной конструкции является сложность канализации механической энергии, а также невозможность оптимальной ориентации на направления господствующих ветров.

Известна также ВЭС, имеющая на поворотной опоре корпус с входным конфузором, горловиной и выходным диффузором, размещенный в корпусе вал, закрепленную на нем в зоне горловины турбину и направляющий аппарат, размещенный в горловине (См. А.с. N 1809158, Кл.F 03 D 1/04).

Основным недостатком устройства является большая поворотная масса, что затрудняет получение больших мощностей.

Известна конструкция ветродвигателя, содержащего корпус с входным конфузором и выходным диффузором, размещенные в корпусе обтекатель, связанный с конфузором при помощи направляющих лопаток, лопастное ветроколесо, расположенное за обтекателем, и конус, установленный в диффузоре и связанный с ним при помощи радиальных перемычек, причем поверхность диффузора выполнена гофрированной в окружном направлении с образованием внутренних и наружных клинообразных лотков, а конус связан с диффузором в зоне наружных клинообразных лотков (См. А. с. N 1592572, Кл. F 03 D 1/04). Данная конструкция при всех имеющихся достоинствах совмещает недостатки рассмотренных ВЭС.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению и принятой авторами за прототип является ВЭС, содержащая барабанное ветроколесо с лопастями, закрепленными на горизонтальном валу, и два диаметрально установленных относительно него конфузора, выходные отверстия которых расположены одно выше, а другое ниже вала (См. А.с.N 1268792, Кл. F 03 D 3/04).

Недостаток прототипа - невозможность оптимального ориентирования конфузоров на местности, так как направления господствующих ветров редко лежат на одной линии, а также невысокое использование материалов с конструкции конфузоров.

Цель изобретения - повышение надежности и технологичности конструкции, обладающей высокими удельными энергетическими показателями.

Поставленная цель достигается тем, что ветроэлектростанция содержит ориентированные по направлениям господствующих ветров конфузоры и турбогенератор, включающий электрический генератор и турбину с лопатками, причем поперечное сечение конфузора по всей осевой длине имеет форму квадрата, кроме того, конфузоры выполнены в виде отдельных секций, толщина стенок которых изменяется пропорционально нагрузке, каждая секция содержит наружные элементы жесткости, образующие равнобедренные прямоугольные треугольники, а сопла конфузоров в виде прямоугольников расположены слева и справа от турбины с вертикальной осью вращения, насаженной на вал генератора выше последнего, представляющего собой асинхронный электродвигатель в рекуперативном режиме, причем лопатки турбины изготовлены в форме прямоугольных тарелок с отверстиями, находящимися на дне в шахматном порядке.

На фиг. 1 показан вид сбоку, а на фиг. 2 - вид сверху данной ВЭС (навес условно не показан). На фиг. 3 изображена конструкция конфузора; на фиг. 4 представлен общий вид турбины, а на фиг. 5 - вид отдельной лопасти.

ВЭС состоит, как минимум, из двух ориентированных на направления господствующих ветров конфузоров 1, 2 (фиг. 2), составленных из отдельных секций 3, установленных с помощью опор 4 на фундаменте 5, представляющем собой сварную конструкцию из стальных профилей в виде трапеции, крайние точки которой соединены с забитыми в землю сваями 6. Дополнительно конфузоры 1, 2 крепятся к фундаменту 5 растяжками 7. По всей осевой длине конфузоры имеют форму квадрата и содержат наружные треугольные элементы жесткости 8 (фиг. 3), образованные выступающими частями уголков 9, обрамляющих каждую секцию, с приваренными к ним перекладинами 10. Форсунки 11 (фиг. 2) конфузоров 1, 2 направлены на турбину 12 с вертикальной осью вращения, имеющей лопатки 13 в виде глубоких прямоугольных тарелок с отверстиями в дне 14 (фиг. 5). Лопатки 13 крепятся одним краем к барабану 15 (фиг. 4), другим своим краем они приварены к стальным ободам 16. Турбина 12 насажена на вал электрогенератора 17 (фиг. 1), представляющего собой асинхронный двигатель, работающий в рекуперативном режиме. Электрогенератор 17 имеет фланцевое крепление и установлен на основании 18, выполненном в виде строения, внутри которого расположен блок управления 19. Сверху турбина 12 и электрогенератор 17 накрыты навесом 20, укрепленным на опорных столбах 21.

ВЭС работает следующим образом. Ускорившись в конфузоре 1, состоящем из отдельных секций 3, поток воздуха через форсунку 11 попадает на лопатки 13 турбины 12, вызывая вращение последней. Часть воздуха проникает в отверстия лопаток 13; при этом уменьшается разрежение перед предыдущей лопаткой; для последующей лопатки уменьшается сопротивление вхождения ее в направленный поток воздуха; кроме того, это способствует меньшему отражению потока воздуха от лопатки; проходя сквозь отверстия 14, поток воздуха дополнительно уменьшает свою кинетическую энергию за счет сил трения; все это повышает коэффициент использования энергии ветрового потока. При достижении электрогенератором 17 угловой скорости выше синхронной блок управления 19 подключает его к электросети; при этом ведомый сетью электрогенератор отдает в нее электроэнергию стандартного качества. Небольшие изменения направления ветра относительно господствующего мало сказываются на работе ВЭС вследствие достаточно большого угла схождения стенок конфузора 1. При смене господствующего направления ветра работает конфузор и в экономически целесообразных случаях возможна установка дополнительных конфузоров. Навес 20, стоящий на опорных столбах 21, защищает рабочую зону от воздействия осадков. Выполнение основания 18 в виде помещения позволило разместить в нем блок управления 19. Предложенная конструкция турбины позволяет уменьшить массу лопаток 13, не снижая эффективность работы, т.к. обода 16 имеют малое аэродинамическое сопротивление, а полый барабан 15 - низкий момент инерции. Устойчивость конфузоров 1, 2 обеспечивается сочетанием опор 4 и растяжек 7, закрепленными на фундаменте 5, который, в свою очередь, крепится с помощью свай 6. Наружные элементы жесткости 8, образованные выступающими частями уголков 9 и перекладинами 10, придают конфузорам 1, 2 необходимую жесткость в поперечном направлении.

Предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом: предлагаемой конструкции ВЭС не опасно оледенение; установка конфузоров на направления господствующих ветров обеспечивает максимальное использование энергии воздушных масс в данной местности, применение блока автоматического управления и малые габариты вращающихся частей, а также отсутствие механических передач заметно снижают эксплуатационные издержки данной ВЭС, а высокая технологичность и применение в качестве генератора асинхронного электродвигателя позволяют изготовить ее в условиях ремонтных мастерских. Данную ВЭС можно устанавливать на крышах зданий и производственных корпусов, таким образом можно не только экономить электроэнергию, но и отапливать здания в зимний период, компенсируя их охлаждение ветром.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, состоит в том, что при высоких удельных энергетических показателях ВЭС снижается ее стоимость и уменьшаются габариты вращающихся частей.

Claims (1)

1. Ветроэлектростанция, содержащая ориентированные по направлениям господствующих ветров конфузоры и турбогенератор, включающий электрический генератор и турбину с лопатками, отличающаяся тем, что поперечное сечение конфузора по всей осевой длине имеет форму квадрата, при этом конфузоры выполнены в виде отдельных секций, толщина стенок которых изменяется пропорционально нагрузке, каждая секция содержит наружные элементы жесткости, образующие равнобедренные прямоугольные треугольники, а сопла конфузоров в виде прямоугольников расположены слева и справа от турбины с вертикальной осью вращения, насаженной на вал генератора выше последнего, представляющего собой асинхронный электродвигатель в рекуперативном режиме, причем лопатки турбины изготовлены в форме прямоугольных тарелок с отверстиями, находящимися на дне последних в шахматном порядке.

Images