поливиндроторный энергоблок

Формула изобретения

Поливиндроторный энергоблок, состоящий из несущей мачты с поворотным узлом, вертикально-осевой турбины и генератора, хвостового оперения, отличающийся тем, что содержит связанные между собой вертикальными стойками по меньшей мере в один ярус одинаковые горизонтально-коаксиальные платформы стреловидной формы, опирающиеся на поворотный узел мачты своими заостренными частями, в пространстве ярусов между расходящимися в противоположные стороны плечами платформ на каждом из этих плеч установлено симметрично мачте и за ее контурами равное число ортогональных виндроторов, аэродинамические элементы виндроторов, расположенных по разные стороны от мачты, обеспечивают их встречное вращение, при котором скоростные векторы тех из упомянутых элементов, что максимально удалены от оси симметрии энергоблока, совпадают с направлением ветра, под нижней платформой имеются усиливающие ребра жесткости, а хвостовые оперения вертикально подняты и опираются на внутренние кромки верхней платформы.

Описание изобретения к патенту

Устройство используется для получения промышленно значимых мощностей электроэнергии посредством ее генерации из возобновляемого природного источника - перемещающихся в атмосфере среднескоростных и нестабильных воздушных масс на континентальных территориях.

Сущность технического решения состоит в том, что несколько ортогональных виндроторов, максимально достигнутой на практике мощности, включены в состав поднятого над землей единого энергетического блока, содержащего горизонтально-коаксиальные платформы, идентичные по габаритам и стреловидной форме с расходящимися в стороны плечами и креплением к мачте на заостренных участках; вертикально-осевые турбины, расположены в пространстве между платформами, симметрично и за контурами несущей мачты в одном или нескольких ярусах по различным компоновочным схемам. Число турбин на разных плечах энергоблока одинаково, их вращение встречно направленно, ориентация установки на ветер усилена хвостовыми оперениями, опирающимися на внутреннюю кромку верхней платформы.

Предложенный энергоблок относится к ветроэнергетическим установкам с осью вращения ротора, перпендикулярной направлению ветра (вертикально-осевые турбины, VAWT или виндроторы).

Изменения в структуре и тенденции развития мировой ветроэнергетики продолжают подтверждать вывод о низкой эффективности и бесперспективности применения горизонтально-осевых пропеллерных установок в условиях континентального климата с преобладанием среднескоростных, переменчивых по направлению ветров. Если в целом доля виндроторов в передовых странах не превышает 11%, то динамично и на опережение развивающаяся экономика Китая планирует за ближайшие годы сосредоточить вне прибрежных и шельфовых зон 25% своего ветроэнергетического потенциала. Вместе с тем, для виндроторной техники остается не решенной проблема получения промышленно значимых мощностей от ветрогенераторов, которые на практике не превышают 20 кВт.

В качестве конкретных технических решений можно указать на ортогональные виндроторы с парусными элементами (патенты RU № № 2034169, 2370665) и крыловидными лопастями (патенты RU № № 2034169, 2347104), выгнутыми крыловидными лопастями, подобными ротору Дарье (Darrieus rotor). Их недостаточные для промышленного применения мощности подтверждаются в интернет-источниках, например http://www.energostar.com.ua.http://ungs.su. на целом ряде иных веб-сайтов. Конструктивно-силовые схемы виндроторов на рубеже мощности в 20 кВт достигают предела прочностных характеристик, тем самым утрачивая энергетические перспективы. Аэродинамические узлы, их крепеж не в состоянии выдержать вес турбин и напор ветра, происходят деформация и разрушение отдельных ответственных частей и устройств в целом. Упомянутые виндроторы ортогонального типа ротором Дарье вращаются в единственной подшипниковой опоре, нередко совмещенной с генератором и расположенной под турбиной. Данное техническое решение приводит к воздействию изгибающего момента на роторный вал, возникновению биения, повреждению подшипниковых опор и генератора. Вместе с тем, известны виндроторы, например роторный ветродвигатель (патент RU № 2210000), в которых турбина установлена на двух разнесенных опорах выше и ниже турбины, на вершине несущего каркаса и ближе к фундаменту ВЭУ. Однако и данному типу устройств не удается достигнуть промышленного уровня мощности в силу низкого значения движущей силы, осуществляющей вращение ротора под воздействием ветра, возникает необходимость строительства для преодоления этого недостатка неустойчивых и дорогостоящих башенных конструкций значительной высоты.

Все известные ветростанции, включая виндроторы, из-за знакопеременных напряжений в конструкциях имеют низкий ресурс работы, а легкие скоростные турбины полностью изнашиваются вместе с генераторами уже за 1-1,5 года непрерывной работы. Вместе с тем, цена турбинно-генераторных узлов составляет 58-62% от цены основного оборудования. Текущее обслуживание, ремонт и замена главных рабочих узлов осуществляются при полной остановке ВЭУ, от чего страдают потребители электроэнергии, проводятся на большой высоте, сопряжены с риском и применением дорогостоящего, нередко уникального оборудования и грузоподъемной техники. Именно плохие и затратные эксплуатационные качества, а не низкий КПД, высокие капиталовложения, как часто принято считать, делают ветроэнергетику экономически не привлекательной по сравнению с традиционными сетевыми источниками, где цена за электричество на порядок ниже (3-4 руб. против 30-50 руб. 1 кВт час от ВЭУ).

За прототип выбрана ветровая установка (патент RU № 2258155), в состав которой входят несущая мачта, поворотный узел, турбина с неортогональными лопастями, подобными базовым элементам Савониуса, закрытая обтекаемым кожухом, имеющим окно для доступа воздушного потока к турбине, хвостовое оперение на консольной балке. Уже неортогональность турбинных лопастей отводит данное устройство к ветрякам низкой мощности порядка 1-3 кВт. Установка из-за наличия кожуха утрачивает главное преимущество виндроторов, а именно, само ориентирование на ветер. Патент содержит спорные утверждения о преодолении вибрации и снижении нагрузки на вал, в то время как следует ожидать срывов воздушного потока с кромок окна, вырезанного в кожухе, и соответствующего усиления вихрей и скачков давления в рабочем объеме турбины, а консольная балка и противовесы утяжеляют конструкцию. Хвостовое оперение лишь частично вынесено из зоны турбулентного шлейфа от отработанного турбиной воздуха и после обтекания им кожуха, от чего ориентировка на ветер не будет устойчивой и стабильной.

Целью изобретения является получение больших электрических мощностей меньшей себестоимости от одного ветроэнергетического объекта на базе виндроторной техники, оптимальной в климатических условиях континентальных территорий.

Поставленная цель достигается тем, что в единый энергоблок объединены несколько ортогонально-виндроторных турбин, поднятых на вершину общей несущей мачты и размещенных по меньшей мере в одном ярусе между горизонтально-коаксиальными платформами одинаковой стреловидной формы и габаритов так, что располагаются на расходящихся плечах платформ в равном количестве, симметрично и за контурами мачты, на поворотный узел которой упомянутые платформы опираются своими заостренными частями. Самоориентация энергоблока на ветер усиливается направленностью встречного вращения турбин, разнесенных по разные стороны от мачты, наличием хвостовых оперений над верхней платформой. Прочности и жесткости конструкции способствуют ребра жесткости под нижней платформой энергоблока. Для достижения требуемой промышленной мощности энергоблок может быть исполнен от одно- до трехярусной компоновки и комплектации 2-8 базовыми виндроторами.

На фиг.1 показан одноярусный энергоблок в составе четырех виндроторов; на фиг.2 - тот же энергоблок в двухярусном исполнении; на фиг.3 - вид сверху на одноярусный энергоблок. Здесь и далее верхняя платформа условно не показана. На фиг.4 - вид сверху на двухярусный энергоблок.

Поливиндроторный энергоблок (Wind Energy Bloc - WEB). содержит несущую мачту 1 с поворотным узлом 2, к которому на их заостренных участках прикреплены горизонтально-коаксиальные платформы 3 идентичной стреловидной формы и габаритов, стянутые стойками 4. Между платформами в подшипниковых опорах 5 установлены на вертикальных валах 6 ортогональные турбины 7, передающие вращение на генераторы 8. Над верхней платформой имеются хвостовые оперения 9, под нижней платформой - ребра жесткости 10.

Установка WEB работает следующим образом. Под напором ветра платформы 3 разворачиваются так, что их расходящиеся плечи вмести с установленными на них элементами конструкции, включая турбины 7, располагаются с подветренной стороны от мачты 1. Одновременно происходит вращение турбин 7, которое в проекции на фундамент установки и глядя со стороны набегающего воздушного потока в правом плече платформ 3 происходит против часовой стрелки, а в левом плече - по часовой стрелке. Кинетический потенциал ветра преобразуется в механическую энергию вращающихся турбин 7, затем электрическую энергию в генераторах 8, далее через прибор коррекции, АКБ и инвертор подаваемую потребителям.

При установленной дислокации виндроторных турбин 7 и встречном вращении их аэродинамических элементов, относящихся к противоположным плечам платформ 3, энергоблок будет без принудительного механизма ориентироваться на ветер. Уточненный порядок вращения турбин 7, наличие хвостовых оперений 9 способствует устойчивому характеру ориентации.

Взяв, как уже указывалось, за основу энергоблока выпускаемые промышленно ортогональные виндроторы диаметром 4-4,5 м и мощностью 20 кВт, установка WEB в пределах массогабаритных и прочностных ограничений может вырабатывать 40 кВт (компоновка одноярусная в комплектации двумя турбинами), 80 кВт (в компоновке и комплектации, представленными на фиг.1 и 2), 120 кВт (компоновка двух ярусная в комплектации 6 виндроторами в ярусах, считая их сверху вниз, по схеме «4+2»).

Дальнейшее наращивание мощности до 160 кВт потребует трех ярусной компоновки комплекса и комплектации его 8 виндроторами в названном порядке по схеме «2+4+2», что отяжелит энергоблок и может вызвать при среднескоростных ветрах необходимость в механизме принудительного разворота на ветер. Между тем известно, что горизонтально-осевые ВЭУ мощностью уже от 20 кВт без таких механизмов неработоспособны, однако необходимость в этих узлах не является причиной отказа от практического применения систем HAWT.

Снижение себестоимости электроэнергии от предложенного энергоблока обеспечивается меньшими удельными затратами на капитальное строительство, удешевлением эксплуатации, поскольку его платформы одновременно являются обслуживающими площадками, допускающими установку на них грузоподъемных и иных вспомогательных механизмов, возможностью поочередного ремонта турбинно-генераторных узлов без остановки энергоблока в целом. Ресурс работы данных узлов значительно удлиняется, т.к. валы турбин устанавливаются в собственных подшипниковых опорах, разнесенных по высоте, отделены муфтами от роторных валов электрогенераторов. Объединение нескольких систем WEB в ветропарк потребует на определенных условиях в 3 раза меньшего землеотвода и даст соответствующее снижение расходов на арендную плату и налоговые платежи, которые входят в себестоимость вырабатываемой из ветра электроэнергии.