Ветроэнергетическая машина

 

«Полезная модель ветроэнергетической машины, содержащей реактивную радиальную предельнонапорную турбину для максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразования ее в электрическую энергию». Полезная модель относится к энергомашиностроению, в частности к ветроэнергетическим машинам. Полезная модель ветроэнергетической установки содержит реактивную радиальную предельнонапорную турбину с бандажем, 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, с совершением работы по преобразованию энергии воздушного потока в электрическую, турбина выполнена в виде жестко посаженного диска с укрепленными на нем двадцатью четырьмя Г-образными реями, двенадцать из которых образуют внешний и двенадцать - внутренний контур турбины, двенадцати строп, двенадцати парусов (или пластин, т.е. реактивной поверхности турбины), натянутых на смежные внутренние и внешние реи (пространство между смежными парусами образуют реактивные сопла турбины, ограниченные с одной стороны диском турбины, а с другой - бандажем), и бандажа, прикрепленного к концам рей, генератор электрического тока выполнен малоинерционным, осевым, синхронным и многополюсным с внешним возбуждением, установлен на поворотной платформе, кинематически связанный с турбиной через шкив ременной передачей, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор представляет собой центробежный регулятор, кинематически связанный с валом турбины и электрически связанный с генератором, поворотная платформа, жестко связанная с вертикальной опорой, в основании опертой на вертикальный шарнир, опертый на подшипник, вверху вертикальная опора находится внутри шайбы, опертой на подшипник, жестко связанной с опорой, к шайбе через проушины прикреплены четыре растяжки, которые обеспечивают фиксацию ветроэнергетической машины в вертикальном положении, причем нижние концы растяжек прикреплены к сваям. Растяжки соединены одним концом через проушину с опорной шайбой, а вторым концом через винтовой натяжитель, серьгу и проушину со сваей. Главная растяжка, устанавливаемая в направлении розы ветров на наветренную сторону, усилена двумя дополнительными растяжками, предотвращающими клинение шайбы при повороте опоры. Эти дополнительные растяжки соединены своими концами с проушинами соседних растяжек. На шайбе расположены два рокера с прижимными пружинами, обеспечивающими электрический контакт с подвижными токопроводящими кольцами, укрепленными на опоре выше шайбы, токопроводящие кольца электрически соединены: верхнее кольцо с центробежным регулятором внешней нагрузки на турбину и верхним рокером, который соединен с плюсовой клеммой аккумулятора; нижнее токопроводящее кольцо электрически соединено с плюсовой клеммой генератора и через рокер с внешней нагрузкой на генератор, минус генератора и минус реле-регулятора напряжения соединены на массу и через клемму на опорной шайбе соединены с отрицательной клеммой аккумулятора. Платформа выполнена с возможностью нацеливания на ветер поворотом всей платформы вместе с жестко связанной с ней опорой, имеющей в основании вертикальные и горизонтальные шарниры, поворот опоры осуществляется посредством рычага, шарнирно укрепленного в основании опоры и фиксируется путем опускания рычага его прорезью на один из фиксаторов, установленных на равных углах и радиусах вокруг опоры. Генератор электрического тока установлен на поворотной платформе. Установка ветроэнергетической машины в вертикальное положение и обратно в горизонтальное осуществляется путем поворота ее относительно горизонтального шарнира в основании опоры. Опускание и подъем ветроэнергетической машины производится в плоскости розы ветров путем освобождения проушины главной растяжки от крепления на свае. Перед подъемом или опусканием ветроэнергетической машины необходимо рычаг поворота опоры установить перпендикулярно к плоскости вращения вокруг горизонтального шарнира опоры. Опускание ветроэнергетической машины возможно либо турбиной вниз, либо генератором вниз с целью либо их технического обслуживания, либо при объявлении штормового предупреждения для предотвращения разрушения ветроэнергетической машины под действием урагана. Приведение турбины в. рабочее положение осуществляется поворотом на ветер, вывод турбины из рабочего положения осуществляется поворотом турбины в противоположную сторону, т.е. по ветру. Основные преимущества полезной модели заключаются в том, что турбина и генератор выполнены малоинерционными, а турбина является также предельнонапорной с высокой механической проводимостью, что позволяет ей эффективно работать как в установившемся, так и в турбулентном потоке. Отношение суммарной площади всех сопел к площади диска турбины составляет 0,2, что обеспечивает максимальную скорость истечения воздуха через сопла и при коэффициенте дрейфа 0,35-0,40 - обеспечивает максимальный коэффициент полезного действия турбины.

Полезная модель относится к энергомашиностроению, в частности к ветроэнергетическим машинам.

Аналогом заявляемой полезной модели является средство того же назначения - 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. Библиографические данные источника информации - патент на изобретение 2297549 «Способ максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразование ее в электрическую энергию и устройство для его осуществления». Патентообладатели и авторы: Алатин Павел Дмитриевич (RU), Дигоран Ирина Павловна (RU).

В указанном аналоге турбина выполнена осевой, т.е. имеет меньшую механическую проводимость по сравнению с радиальной, что препятствует получению технического результата - максимальному извлечению кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока в области высоких частот в приземном слое воздуха.

Отличиями являются:

- в осевой реактивной турбине разность давлений на входе в реактивные сопла создается скоростным напором потока на площадь турбины, а давление на выходе из сопла равно донному давлению при обтекании потоком тела турбины;

- в радиальной ветротурбине давление на входе в реактивные сопла создается также скоростным напором потока, но в отличие от осевой турбины, давление на выходе из реактивных сопел, создается в соответствии с законом Бернулли за счет сужения струи воздуха, обтекающей турбину с ее боков. В последнем случае разность давлений имеет большую величину по сравнению с разностью давлений в осевой турбине. Кроме того, в осевой турбине реактивные сопла расположены на радиусах и под углом к плоскости турбины, что не обеспечивает максимальный вращающий момент реактивных сил на валу турбины;

- в радиальной реактивной турбине реактивные сопла расположены на максимальном расстоянии от оси вала турбины и перпендикулярно к плоскости вращения турбины. Поэтому, при тех же величинах тяги в реактивных соплах реактивной турбины обеспечивается значительно больший вращающий момент при той же скорости ветра, по сравнению с осевой турбиной того же диаметра и достигается большее значение коэффициента полезного действия;

- изготовление парусов радиальной реактивной турбины проще, чем в осевой реактивной турбине, поскольку они имеют форму прямоугольника.

Указанный результат - максимальное извлечение кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока в области высоких частот в приземном слое воздуха достигается тем, что ветроэнергетическая машина для максимального извлечения кинетической энергии из турбулизированного воздушного потока и преобразования ее в электрическую энергию, в которой 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 радиальную реактивную предельнонапорную турбину, с совершением работы по преобразованию энергии воздушного потока в электрическую энергию, характеризующаяся тем, что отбор кинетической энергии потока воздуха осуществляют реактивной радиальной предельнонапорной с высокой механической проводимостью турбиной, выполненной в виде жестко посаженного диска с укрепленными на нем двадцатью четырьмя Г-образными реями, двенадцать из которых образуют внешний и двенадцать -внутренний контур турбины, двенадцати строп, двенадцати парусов, натянутых на смежные внутренние и внешние реи (образуют реактивные поверхности, пространство между смежными парусами образуют реактивные сопла турбины, ограниченные с одной стороны диском турбины, а с другой - бандажом), и бандажа, прикрепленного к концам рей, при этом торможение потока осуществляют по всей сметаемой поверхности турбины, установленной на валу, опертом на подшипники, жестко связанные с поворотной платформой, а в качестве электрогенератора используют малоинерционный, осевой, синхронный, многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением, кинематически связанный с турбиной через шкив ременной передачей, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор представляет собой центробежный регулятор, кинематически связанный с валом турбины и электрически связанный с генератором, поворотная платформа, жестко связанная с вертикальной опорой в основании опертой на вертикальный шарнир, вверху вертикальная опора находится внутри шайбы, опертой на подшипник, жестко связанный с опорой, к шайбе прикреплены четыре растяжки, обеспечивающие фиксацию ветроэнергетической машины в вертикальном положении, причем нижние концы растяжек прикреплены к сваям, центральное тело турбины закрыто коком.

Платформа выполнена с возможностью нацеливания на ветер поворотом всей платформы вместе с жестко связанной с ней опорой, имеющей в основании вертикальные и горизонтальные шарниры, поворот опоры осуществляется посредством рычага, шарнирно укрепленного в основании опоры и фиксируется путем опускания рычага его прорезью на один из фиксаторов, установленных на равных углах и радиусах вокруг опоры. Генератор электрического тока установлен на поворотной платформе. Установка ветроэнергетической машины в вертикальное положение и обратно в горизонтальное осуществляется путем поворота ее относительно горизонтального шарнира в основании опоры. Опускание и подъем ветроэнергетической машины производится в плоскости розы ветров путем освобождения проушины главной растяжки от крепления на свае. Перед подъемом или опусканием ветроэнергетической машины необходимо рычаг поворота опоры установить перпендикулярно к плоскости вращения вокруг горизонтального шарнира опоры. Опускание ветроэнергетической машины возможно либо турбиной вниз, либо генератором вниз. Приведение турбины в рабочее положение осуществляется поворотом на ветер, вывод турбины из рабочего положения осуществляется поворотом турбины в противоположную сторону, т.е. по ветру.

Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где:

Фиг.1 - блок-схема ветроэнергетической установки, вид спереди;

Фиг.2 - блок-схема ветроэнергетической установки, вид сбоку;

Фиг.3 - генератор электрического тока в разрезе;

Фиг.4 - ротор генератора электрического тока в разрезе.

Для пояснения сущности полезной модели приложены фотографии устройства.

Ветроэнергетическая машина содержит реактивную радиальную предельнонапорную с высокой механической проводимостью турбину с бандажем 1, с валом 2, опертом на подшипники 3, жестко связанные с поворотной платформой 4, турбина выполнена в виде жестко посаженного диска 5 с укрепленными на нем двадцатью четырьмя Г-образными реями 6, двенадцать из которых образуют внешний и двенадцать - внутренний контур турбины, двенадцати строп 7, двенадцати парусов 8, натянутых на смежные внутренние и внешние реи (образуют реактивные поверхности, пространство между смежными парусами образуют реактивные сопла турбины, ограниченные с одной стороны диском турбины, а с другой - бандажом), генератор электрического тока 9, кинематически связанный с турбиной, 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, включатель-выключатель системы - центробежный регулятор включения 19, включатель электрической емкости (накопителя) от положительной клеммы аккумулятора 20, генератор электрического тока выполнен малоинерционным, осевым, синхронным и многополюсным с внешним возбуждением, установлен на поворотной платформе 4, кинематически связанный с турбиной через шкив ременной передачей 21, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор представляет собой центробежный регулятор, кинематически связанный с валом турбины и электрически связанный с генератором, поворотная платформа 4, жестко связанная с вертикальной опорой 22, в основании опертой на вертикальный шарнир 23, опертый на подшипник, вверху вертикальная опора находится внутри шайбы 24, опертой на подшипник, жестко связанной с опорой, к шайбе прикреплены четыре растяжки 25, которые обеспечивают фиксацию ветроэнергетической машины в вертикальном положении, причем нижние концы растяжек прикреплены к сваям 26. Растяжки соединены одним концом через проушину с опорной шайбой, а вторым концом через винтовой натяжитель, серьгу и проушину со сваей. Главная растяжка, устанавливаемая в направлении розы ветров на наветренную сторону, усилена двумя дополнительными растяжками, предотвращающими клинение шайбы 24 при повороте опоры. Эти дополнительные растяжки соединены своими концами с проушинами соседних растяжек. На шайбе расположены два рокера 27 с прижимными пружинами, обеспечивающими электрический контакт с подвижными токопроводящими кольцами 28, укрепленными на опоре выше шайбы, токопроводящие кольца электрически соединены: верхнее кольцо с центробежным регулятором внешней нагрузки на турбину и верхним рокером, который соединен с плюсовой клеммой аккумулятора; нижнее токопроводящее кольцо электрически соединено с плюсовой клеммой генератора и, через рокер, с внешней нагрузкой на генератор, минус генератора и минус реле-регулятора напряжения соединены на массу и через клемму на опорной шайбе соединены с отрицательной клеммой аккумулятора 18. Центробежный регулятор внешней нагрузки на турбину на массу не подключен и электрически соединен клеммой прерывателя с положительной клеммой аккумулятора, а изолированным от массы корпусом - с положительной клеммой реле регулятора напряжения и положительной клеммой генератора, обмотка возбуждения генератора соединена с соответствующей клеммой реле регулятора напряжения, защита электрической цепи производится с помощью плавких предохранителей, один из которых расположен в цепи положительной клеммы аккумулятора -прерывателя центробежного регулятора, второй предохранитель - в цепи внешней нагрузки на генератор. Центральное тело турбины закрыто коком 29 для упорядочения потока внутри турбины. Поворот опоры 22 осуществляется посредством рычага 31, шарнирно укрепленного в основании опоры, и фиксируется путем опускания рычага его прорезью на один из фиксаторов, установленных на равных углах и радиусах вокруг опоры.

Работает ветроэнергетическая машина следующим образом. Платформу устанавливают на некотором возвышении, ветротурбину устанавливают перпендикулярно вектору скорости ветра, в соответствии с розой ветров. 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, автомат управления внешней нагрузкой на генератор электрического тока с центробежным регулятором 19, кинематически связанным с валом турбины 2, включатель электрической емкости (накопителя) от положительной клеммы аккумулятора 18.

Основные преимущества полезной модели заключаются в том, что турбина и генератор выполнены малоинерционными, а турбина является также предельнонапорной с высокой механической проводимостью, что позволяет ей эффективно работать как в установившемся, так и в турбулентном потоке. Отношение суммарной площади всех сопел к площади диска турбины составляет 0,20-0,25, что обеспечивает максимальную скорость истечения воздуха через сопла и при коэффициенте дрейфа 0,35-0,40 - обеспечивает максимальный коэффициент полезного действия ветроэнергетической машины.

1. Ветроэнергетическая машина, содержащая реактивную радиальную предельнонапорную турбину, выполненную в виде жестко посаженного диска с укрепленными на нем двадцатью четырьмя Г-образными реями, двенадцать из которых образуют внешний и двенадцать - внутренний контур турбины, двенадцати строп, двенадцати парусов, натянутых на смежные внутренние и внешние реи (образуют реактивные поверхности, пространство между смежными парусами образуют реактивные сопла турбины, ограниченные с одной стороны диском турбины, а с другой - бандажом), и бандажа, прикрепленного к концам рей, при этом турбина установлена на валу, опертом на подшипники, жестко связанные с поворотной платформой, а в качестве электрогенератора используют малоинерционный, осевой, синхронный, многополюсный генератор электрического тока с внешним возбуждением, кинематически связанный с турбиной через шкив ременной передачей, при этом устройство управления внешней нагрузкой на генератор представляет собой центробежный регулятор, кинематически связанный с валом турбины и электрически связанный с генератором, поворотная платформа, жестко связанная с вертикальной опорой, в основании опертой на вертикальный шарнир, вверху вертикальная опора находится внутри шайбы, опертой на подшипник, жестко связанный с опорой, к шайбе прикреплены четыре растяжки, обеспечивающие фиксацию ветроэнергетической машины в вертикальном положении, причем нижние концы растяжек прикреплены к сваям, центральное тело турбины закрыто коком.

2. Ветроэнергетическая машина по п.1, отличающаяся тем, что платформа выполнена с возможностью нацеливания на ветер поворотом всей платформы вместе с жестко связанной с ней опорой, имеющей в основании вертикальные и горизонтальные шарниры, поворот опоры осуществляется посредством рычага, шарнирно укрепленного в основании опоры и фиксируется путем опускания рычага его прорезью на один из фиксаторов, установленных на равных углах и радиусах вокруг опоры.

3. Ветроэнергетическая машина по п.1, отличающаяся тем, что генератор электрического тока установлен на поворотной платформе.

4. Ветроэнергетическая машина по п.1, отличающаяся тем, что установка ветроэнергетической машины в вертикальное положение и обратно в горизонтальное осуществляется путем поворота ее относительно горизонтального шарнира в основании опоры с освобождением лишь одной растяжки.



 

Похожие патенты:

Зарегистрированная полезная модель ротора синхронной машины (например, ротора генератора или ротора электродвигателя) с постоянными магнитами, отличается конструктивным новшеством, при котором, на полюсах ротора установлено 2 постоянных магнита специальной формы.
Наверх