RU2492353C1 - Highly efficient wind-driven plant of modular type and wind generator module for it - Google Patents
Highly efficient wind-driven plant of modular type and wind generator module for it Download PDFInfo
- Publication number
- RU2492353C1 RU2492353C1 RU2011153370/06A RU2011153370A RU2492353C1 RU 2492353 C1 RU2492353 C1 RU 2492353C1 RU 2011153370/06 A RU2011153370/06 A RU 2011153370/06A RU 2011153370 A RU2011153370 A RU 2011153370A RU 2492353 C1 RU2492353 C1 RU 2492353C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pos
- turbine
- wind
- flow
- channel
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Landscapes
- Wind Motors (AREA)
Abstract
Description
Область техники.The field of technology.
Энергетическая установка относится к энергетике из возобновляемых источников, в частности к ветроэнергетическим установкам и обеспечивает преобразование энергии ветра или течения воды в электрическую или иную энергию.A power plant refers to energy from renewable sources, in particular to wind power plants and provides the conversion of wind energy or water flow into electrical or other energy.
Может быть использована как автономный источник электроэнергии в промышленности, в сельском хозяйстве, в жилищно-коммунальном секторе экономики, в МЧС.It can be used as an autonomous source of electricity in industry, in agriculture, in the housing and communal sector of the economy, in the Ministry of Emergencies.
Уровень техники.The level of technology.
Известны энергетические установки, использующие кинетическую энергию воздушных потоков путем прямого силового воздействия ветра на лопасти винта или турбины (1). Разнообразные схемы представлены в Интернете. Например, если в поисковом сервере google.ru сделать запрос «картинки ветрогенераторов», то можно увидеть самые разнообразные схемы и конструкции, где самым основным направлением для повышения эффективности работы энергетических установок являются как разнообразные конструкции различных активных элементов, так и различные типы входных устройств для традиционных винтов, направляющих воздушные потоки под оптимальными углами, одновременно увеличивая динамическое давление и кинетическую энергию потока. Также с целью повышения величины Э.Д.С., прямо зависящей от частоты вращения, применяются мультпликаторы, которые не только увеличивают потери энергии, но также увеличивают затраты на эксплуатационные расходы.Known power plants using the kinetic energy of air flows by direct force of the wind on the blades of a screw or turbine (1). A variety of schemes are presented on the Internet. For example, if you request “pictures of wind generators” in google.ru, you can see a wide variety of schemes and designs, where the most basic direction for increasing the efficiency of power plants is both a variety of designs of various active elements, and various types of input devices for traditional screws directing air flows at optimal angles, while increasing dynamic pressure and kinetic energy of the flow. Also, in order to increase the EMF value, which directly depends on the rotational speed, multipliers are used that not only increase energy losses, but also increase operating costs.
Общими недостатками большинства эксплуатируемых и разрабатываемых установок, основой конструкции которых являются винты:Common disadvantages of the majority of operated and developed installations, the basis of the design of which are screws:
- различные скорости течения на разных радиусах лопастей винтов - нулевая линейная скорость вращения в центре и сверхзвуковое течение на концах лопастей, порождающее дополнительное сопротивление, вследствие чего эффективно работает только часть лопаток, находящаяся на определенных радиусах, в то время как остальная часть лопаток бесполезно трется о воздух;- different flow velocities at different radii of the screw blades - zero linear rotation speed in the center and supersonic flow at the ends of the blades, generating additional resistance, as a result of which only part of the blades located at certain radii work efficiently, while the rest of the blades uselessly rubs about air;
- генерация инфразвуковых шумов, неизбежная с увеличением диаметров винтов; причем мощность инфразвука существенно растет с длиной лопастей;- generation of infrasound noises, inevitable with an increase in screw diameters; moreover, the power of infrasound increases significantly with the length of the blades;
- огромный момент инерции, создающий массу проблем, начиная от запуска генератора при слабом ветре и заканчивая оперативной ориентацией в случае смены направления ветра.- a huge moment of inertia, creating a lot of problems, ranging from starting the generator in light winds and ending with the operational orientation in the event of a change in wind direction.
Теоретический коэффициент использования энергии ветра винтов равен приблизительно 0,593; максимально достигнут 0,43. Оптимальная скорость ветра для маломощных (0,5-2 кВт) генераторов составляет 7-8 м/с, и 10-12 м/с для генераторов мощностью более 10 кВт.The theoretical propeller wind energy utilization is approximately 0.593; the maximum reached 0.43. The optimal wind speed for low-power (0.5-2 kW) generators is 7-8 m / s, and 10-12 m / s for generators with a capacity of more than 10 kW.
Для повышения эффективности работы ветроэнергетических установок кроме увеличения площадей активных элементов также предлагалось использовать двойное воздействие ускоренного потока на входе в турбину и создание большего разрежения в выходном канале турбины, с целью снижения сопротивления течения потока после выхода из турбины (2).To increase the efficiency of wind power plants, in addition to increasing the area of active elements, it was also proposed to use the double effect of the accelerated flow at the turbine inlet and the creation of a larger vacuum in the turbine outlet, in order to reduce the flow resistance after exiting the turbine (2).
Описанная в патенте (2) конструкция представляет собой систему из двух основных сужающихся каналов, расположенных на одной оси, один из которых идет непосредственно на турбину, а второй, обтекающий первый с внешней стороны, представляет собой каскад из двух, следующих друг за другом, также сужающихся каналов, предназначен для создания разрежения на выходе из турбины. При этом поток, текущий к турбине, сначала направляется с разворотом на 270 град в камеру накапливания (ресивер), в которой установлены электрогенератор, мультипликатор и турбина. Таким образом, по замыслу авторов, обеспечивается закрутка и равномерность течения воздушного потока, проходящего через турбину, а также отсутствие препятствий для создания максимально возможного разрежения за турбиной. Поток после турбины направляется в канал отвода воздушного потока, в котором создается ступенчатое разрежение за счет течения во внешних, суживающихся сечениях каналов, получая, таким образом, возможность более свободного выхода из турбины.The design described in the patent (2) is a system of two main tapering channels located on the same axis, one of which goes directly to the turbine, and the second, flowing around the first from the outside, is a cascade of two consecutive ones, also tapering channels, designed to create a vacuum at the outlet of the turbine. In this case, the flow flowing to the turbine is first directed with a 270 degree turn into the accumulation chamber (receiver), in which an electric generator, a multiplier and a turbine are installed. Thus, according to the authors' intention, the swirling and uniformity of the flow of air flow passing through the turbine, as well as the absence of obstacles to create the maximum possible vacuum behind the turbine, are ensured. The stream after the turbine is directed into the channel of the air flow, in which a stepwise vacuum is created due to the flow in the external, narrowing sections of the channels, thus obtaining the possibility of a more free exit from the turbine.
Данная конструкция имеет серьезный недостаток, заключающийся в том, что поток, текущий к турбине, проходит очень длинный путь, обтекая, к тому же, в камере накопления мультипликатор и генератор, что приводит к существенным потерям кинетической энергии потока, и как следствие, к неэффективной работе установки, несмотря на создаваемое разрежение за турбиной вторым каналом. Серьезный недостаток также заключается в том, что не будет обеспечена планируемая величина разгона воздушных потоков из-за приличной величины сужения каналов. И кроме того, приведенный в описании к патенту (2) вариант монтажа на башне не обеспечивает самоориентацию станции по направлению к ветру.This design has a serious drawback, namely, that the stream flowing to the turbine travels a very long way, flowing, moreover, in the storage chamber, the multiplier and generator, which leads to significant losses of kinetic energy of the stream, and as a result, to inefficient the operation of the installation, despite the created vacuum behind the turbine of the second channel. A serious drawback also lies in the fact that the planned value of the acceleration of air flows will not be provided due to a decent amount of narrowing of the channels. And in addition, the installation option on the tower described in the description of the patent (2) does not provide the station with its orientation in the direction of the wind.
Более совершенной является ветроэнергетическая установка, описываемая в патенте (3).More perfect is the wind power installation described in the patent (3).
Установка (3) представляет собой узел турбины, заключенный в обтекатель самого малого диаметра, который расположен внутри двух кольцевых оболочек среднего и большого диаметра, образующих два проточных канала, спрофилированных таким образом, что формируют вместе с выходным каналом турбины две внешние, связанные, эжекторные ступени. Первая эжекторная ступень образуется между выходным каналом внутренней оболочки турбины (наименьшего диаметра) и каналом внешней оболочки (среднего диаметра), и предназначена для создания первоначального разрежения для потока, проходящего сквозь лопатки турбины. При этом образуется общий промежуточный канал. Вторая эжекторная ступень образуется между промежуточным каналом и второй внешней оболочкой (самого большого диаметра) для создания еще более глубокого разрежения в выходном канале турбины.Installation (3) is a turbine assembly enclosed in a fairing of the smallest diameter, which is located inside two annular shells of medium and large diameter, forming two flow channels, profiled in such a way that together with the turbine output channel they form two external, connected, ejector stages . The first ejector stage is formed between the output channel of the inner shell of the turbine (smallest diameter) and the channel of the outer shell (medium diameter), and is designed to create the initial vacuum for the flow passing through the turbine blades. In this case, a common intermediate channel is formed. A second ejector stage is formed between the intermediate channel and the second outer shell (of the largest diameter) to create an even deeper vacuum in the turbine output channel.
Теоретически, работа установки (3) построена по следующему принципу. Воздушный поток изначально разделяется на два потока. Воздушный поток, движущийся в направлении центральной оси симметрии, попадает в суживающийся канал, в минимальном сечении которого расположена турбина. Разгоняясь до определенной скорости и совершая работу, вращая лопатки турбины, поток выходит из турбины с пониженной осевой скоростью (основная составляющая скорости после турбины - радиальная). Для быстрого восстановления статического давления потока, прошедшего турбину, выходной канал выполнен расширяющимся. Одновременно с воздушным потоком, проходящим через турбину, движется воздушный поток, проходящий в сужающийся канал между внешней оболочкой (среднего диаметра) и внутренней оболочкой турбины, разгоняясь до определенной осевой скорости, которая по величине превосходит осевую скорость выхода потока после турбины, что приводит к падению статического давления в этом канале. При слиянии обоих каналов в один промежуточный происходит процесс смешивания потоков. При этом, поток, текущий в выходном канале турбины, обладает большим статическим давлением и поэтому он начинает расширяться в область, имеющую пониженное статическое давление, которым обладает поток, прошедший канал, образованный оболочкой турбины и внешней оболочкой (среднего диаметра). Соответственно, происходит увеличение скорости истечения, и понижения статического давления, создание разрежения. Таким образом, образуется первая эжекторная ступень. Это способствует снижению сопротивления расширения потока, проходящего через турбину, и повышает частоту вращения турбины.Theoretically, the operation of the installation (3) is constructed according to the following principle. The air stream is initially divided into two streams. The air flow moving in the direction of the central axis of symmetry enters the narrowing channel, in the minimum cross section of which the turbine is located. Accelerating to a certain speed and doing work by rotating the turbine blades, the flow leaves the turbine with a reduced axial speed (the main component of the speed after the turbine is radial). To quickly restore the static pressure of the stream passing through the turbine, the output channel is made expanding. Simultaneously with the air flow passing through the turbine, the air flow moves into the tapering channel between the outer shell (medium diameter) and the inner shell of the turbine, accelerating to a certain axial velocity, which exceeds the axial velocity of the flow exit after the turbine, which leads to a fall static pressure in this channel. When both channels merge into one intermediate, a process of mixing flows occurs. In this case, the flow flowing in the turbine outlet channel has a large static pressure, and therefore it begins to expand into the region having a reduced static pressure, which the stream passing through the channel formed by the turbine shell and the outer shell (medium diameter) has. Accordingly, there is an increase in the rate of expiration, and a decrease in static pressure, creating a vacuum. Thus, the first ejector stage is formed. This helps to reduce the resistance to expansion of the flow passing through the turbine, and increases the frequency of rotation of the turbine.
Но авторы изобретения решили, что можно создать еще большее разрежение - только теперь уже в этом промежуточном канале и поэтому они ввели в конструкцию еще один дополнительный канал для разгона потока до еще более высокой осевой скорости, чем той, которая была достигнута в процессе смешивания потоков в промежуточном канале. Дополнительный сужающийся канал, образован оболочкой среднего диаметра и внешней оболочкой самого большого диаметра. Аналогичным образом, промежуточный канал переходит в расширяющийся, для создания разницы в статических давлениях между промежуточным и внешним каналом. Соответственно, при слиянии теперь этих каналов в один, также будет образована вторая эжекторная ступень, также будет происходить процесс смешивания потоков, сопровождаемый дальнейшим разгоном потока в этом новом канале, что должно обеспечить еще более разреженное пространство за турбиной, а следовательно - еще меньшее сопротивление для воздушного потока, проходящего через турбину, что позволит получить более высокие скорости вращения генератора, а следовательно и э.д.с.But the inventors decided that it is possible to create even greater vacuum - only now in this intermediate channel and therefore they introduced another additional channel in the design to accelerate the flow to an even higher axial velocity than that achieved in the process of mixing the flows in intermediate channel. An additional tapering channel is formed by a shell of medium diameter and an outer shell of the largest diameter. Similarly, the intermediate channel goes into expanding, to create a difference in static pressures between the intermediate and external channel. Accordingly, when these channels merge now into one, a second ejector stage will also be formed, and the process of mixing flows will be accompanied by further acceleration of the flow in this new channel, which should provide an even more rarefied space behind the turbine, and therefore even less resistance for air flow passing through the turbine, which will allow to obtain higher rotational speeds of the generator, and hence the emf
Т.е. по сути дела, это огромный, двухступенчатый эжектор, работа которого сводится к обеспечению эффективного отвода воздушного потока покидающего турбину. Однако, более детальный анализ выявляет несколько существенных недостатков:Those. in fact, this is a huge, two-stage ejector, the work of which is reduced to ensuring the efficient exhaust air flow leaving the turbine. However, a more detailed analysis reveals several significant drawbacks:
- вследствие большой длины проточных каналов, а следовательно, и обтекаемых поверхностей, возникает существенное сопротивление трения об эти поверхности, в значительной степени нарушающее расчетные параметры течения воздушных потоков, что приводит к сильному снижению эффективности работы установки;- due to the large length of the flow channels, and hence the streamlined surfaces, there is a significant friction resistance against these surfaces, which significantly violates the calculated parameters of the air flow, which leads to a significant decrease in the efficiency of the installation;
- из-за приличной величины сужения каналов также не будет обеспечена планируемая величина разгона воздушных потоков;- due to the decent magnitude of the narrowing of the channels, the planned value of the acceleration of air flows will also not be provided;
- промежуточный канал, обтекающий канал турбины и обеспечивающей разгон воздушного потока, с целью максимального понижения статического давления и создания разрежения в камере отвода потока после турбины, на самом деле, согласно представленным чертежам, является каналом постоянного сечения, поскольку диаметры выходных сечений увеличиваются, и поэтому, никакого ускорения воздушного потока наблюдаться не будет;- the intermediate channel, flowing around the turbine channel and providing acceleration of the air flow, in order to minimize static pressure and create a vacuum in the exhaust chamber after the turbine, in fact, according to the drawings, is a constant section channel, since the diameters of the output sections increase, and therefore , no acceleration of air flow will be observed;
- установка имеет просто огромные размеры, что создает массу проблем начиная с производства (производство деталей больших размеров требует применение дорогой оснастки и спецоборудования), и заканчивая монтажом (огромные размеры, огромная парусность установки, в первую очередь, приводят к гигантским изгибающим усилиям на опору установки, а процесс монтажа подразумевает применение уникальных строительных технологий), что приводит к значительному удорожанию проекта.- the installation is simply enormous, which creates a lot of problems starting from production (the production of large parts requires the use of expensive equipment and special equipment), and ending with the installation (huge sizes, huge windage of the installation, first of all, lead to gigantic bending efforts on the installation support , and the installation process involves the use of unique building technologies), which leads to a significant increase in the cost of the project.
Самой близкой по принципу действия является конструкция, описанная в патенте (4). В этой конструкции воздушная турбина, соединенная с генератором, также находится внутри сужающейся оболочки, которая в свою очередь находится внутри еще двух, расположенных на центральной оси симметрии, больших по диаметрам, сужающихся оболочек, из которых самая большая, по входному диаметру, соединена с общим выходным каналом. Все три канала выходят в общий выпускной канал. Обе внешние оболочки расположены внутри внешней корпусной оболочки, которая выполнена в форме усеченного конуса, малый диаметр которого находится на входном сечении, а большой - на выходной кромке выпускного канала. Конструкция воздушной турбины представляет собой турбину, (больше похожую на вентилятор ТРДД), лопасти которой установлены на механизме изменения шага винта, расположенном на валу, соединенном с валом генератора. Система оболочек установлена на специальной поворотной раме, которая соединена с редуктором, осуществляющим поворот рамы согласно изменяемым показателям датчика, установленного на флюгере.The closest to the principle of action is the design described in the patent (4). In this design, the air turbine connected to the generator is also located inside the tapering shell, which, in turn, is located inside two more, located on the central axis of symmetry, large in diameter, tapering shells, of which the largest, by input diameter, is connected to a common output channel. All three channels go to a common outlet channel. Both outer shells are located inside the outer shell shell, which is made in the form of a truncated cone, the small diameter of which is located at the inlet section, and the large one is at the outlet edge of the outlet channel. The design of an air turbine is a turbine (more similar to a turbofan engine), the blades of which are mounted on a screw pitch change mechanism located on a shaft connected to the generator shaft. The shell system is mounted on a special rotary frame, which is connected to a gearbox that rotates the frame according to the variable parameters of the sensor mounted on the weather vane.
Согласно описанию, ветроэнергетическая станция работает следующим образом. Воздушный поток, обдувающий и обтекающий установку разделяется на четыре основных потока, направленных вдоль центральной оси симметрии. Поток, проходящий через центральное, немного сужающееся сечение (самого малого диаметра) на лопатки турбины, имеет наименьшую скорость. Соосно ему, течет два потока в параллельных сечениях, также в сужающихся каналах, но с более высокой степенью сужения. Причем, степень сужения возрастает по мере удаления канала от центральной оси. То есть, в центральном канале поток на входе в турбину имеет наименьшую осевую скорость (а пройдя лопатки турбины - еще меньше); в следующем, параллельном сечении скорость течения в самом узком сечении (располагающемся чуть дальше выходного сечения турбины) - намного выше; и в самом дальнем канале (от центра оси) скорость течения в самом узком сечении (которое находится чуть дальше среднего канала) -скорость течения еще выше. Именно этот канал, имеющий самые большие диаметры базовых сечений, соединяется с общим выходным устройством. Таким образом, поток, покидающий лопатки турбины, имеет самую низкую осевую скорость течения и самое большое статическое давление. Расположенное сразу за турбиной, минимальное сечение среднего канала обеспечивает существенно большую скорость течения и, следовательно, значительно меньшее статическое давление и поэтому поток, выходящий из турбины начинает расширяться в радиальном направлении, в области течения среднего потока с более высокой скоростью. То есть, поток с более высокой скоростью создает эффект разрежения, образуется первая эжекторная ступень. Для усиления эффекта эжекции, за минимальным сечением среднего канала располагается минимальное сечение самого большого (по базовым диаметрам) канала, в котором скорость течения потока еще выше, чем в среднем канале. Аналогичным образом, формируется вторая эжекторная ступень. Потоки текущие с более высокой скоростью создают разрежение, в которое устремляется воздух, прошедший лопатки турбины, и, таким образом, снижается сопротивление и увеличивается частота вращения турбины. Дополнительно, чтобы облегчить уже суммарный отвод воздуха из выпускного канала, внешняя оболочка, которую обтекает четвертый поток, имеет определенную пространственную кривизну, в которой выходной диаметр больше входного. Это должно обеспечить на выходной кромке эффект диаметрального расширения выходного сечения.According to the description, a wind power station operates as follows. The air flow blowing around the plant is divided into four main flows directed along the central axis of symmetry. The flow passing through a central, slightly narrowing section (of the smallest diameter) onto the turbine blades has the lowest speed. Coaxial with it, two flows in parallel sections, also in narrowing channels, but with a higher degree of narrowing. Moreover, the degree of narrowing increases as the channel moves away from the central axis. That is, in the central channel, the flow at the turbine inlet has the smallest axial speed (and after passing through the turbine blades it is even smaller); in the next parallel section, the flow velocity in the narrowest section (located slightly further than the turbine outlet section) is much higher; and in the farthest channel (from the center of the axis) the flow velocity in the narrowest section (which is located a bit further than the middle channel), the flow velocity is even higher. It is this channel, which has the largest diameters of the base sections, that is connected to a common output device. Thus, the flow leaving the turbine blades has the lowest axial flow velocity and the highest static pressure. Located immediately behind the turbine, the minimum cross section of the middle channel provides a significantly higher flow velocity and, therefore, significantly lower static pressure and therefore the flow exiting the turbine begins to expand in the radial direction, in the region of the middle flow flow at a higher speed. That is, a stream with a higher speed creates a rarefaction effect, the first ejector stage is formed. To enhance the ejection effect, behind the minimum cross section of the middle channel, there is the minimum cross section of the largest (in basic diameters) channel, in which the flow velocity is even higher than in the middle channel. Similarly, a second ejector stage is formed. Flowing currents at a higher speed create a vacuum in which the air passing through the turbine blades rushes, and thus the resistance decreases and the speed of the turbine increases. Additionally, in order to facilitate the total exhaust air from the exhaust channel, the outer shell, which flows around the fourth stream, has a certain spatial curvature, in which the output diameter is larger than the input. This should provide the effect on the output edge of the diametrical expansion of the output section.
Ориентация по ветру осуществляется с помощью электроники, за счет сигналов местоположения исходящих от датчиков, установленных на флюгере.Orientation in the wind is carried out electronically, due to location signals emanating from sensors mounted on a weather vane.
Отдельного внимания заслуживает применение системы переменного шага винта для стабилизации вращения при изменении скорости ветра, которая также осуществляется электроникой.Of particular note is the use of a variable pitch propeller system to stabilize rotation when the wind speed changes, which is also carried out by electronics.
Однако серьезный анализ этой конструкции также показывает наличие ряда принципиальных недостатков, заключающихся в том, что:However, a serious analysis of this design also shows the presence of a number of fundamental shortcomings, namely:
- вследствие большой длины проточных каналов, а следовательно, и обтекаемых поверхностей, возникает существенное сопротивление трения об эти поверхности, в значительной степени нарушающее расчетные параметры течения воздушных потоков, что приводит к сильному снижению эффективности работы установки;- due to the large length of the flow channels, and hence the streamlined surfaces, there is a significant friction resistance against these surfaces, which significantly violates the calculated parameters of the air flow, which leads to a significant decrease in the efficiency of the installation;
- из-за приличной величины сужения каналов также не будет обеспечена планируемая величина разгона воздушных потоков;- due to the decent magnitude of the narrowing of the channels, the planned value of the acceleration of air flows will also not be provided;
- сужающиеся каналы нарисованы так, что вместо эффекта эжекции будет все с точностью до наоборот - они запирают выходное сечение после турбины, препятствуя свободному выходу потока;- the tapering channels are drawn so that instead of the ejection effect everything will be exactly the opposite - they block the exit section after the turbine, preventing the free exit of the stream;
- система переменного шага винта, способного изменять углы закрутки лопастей, которая по замыслу авторов должна поддерживать постоянную скорость вращения - резко увеличивает момент инерции винта, что приводит не только к большим потерям при получении полезной энергии, но и к большому увеличению момента страгивания для начала вращения, сдвигая области эксплуатаци в районы сильных ветров; не говоря уже значительном усложнении и снижении надежности конструкции;- a system of variable pitch of a screw capable of changing the angles of rotation of the blades, which, according to the authors, should maintain a constant speed of rotation - sharply increases the moment of inertia of the screw, which leads not only to large losses in obtaining useful energy, but also to a large increase in the breakaway moment for starting rotation shifting areas of exploitation to areas of strong winds; not to mention a significant complication and decrease in the reliability of the design;
- ориентация по ветру осуществляется электроникой, предлагаемая система ориентации очень сложна и энергозатратная.- orientation in the wind is carried out by electronics, the proposed orientation system is very complex and energy-intensive.
Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION
Задачей изобретения является разработка такой модульной ветроэнергетической установки и модуля для нее, которые позволили бы повысить их эффективность за счет повышения коэффициента использования энергии ветра, в частности при малых ветровых нагрузках, увеличить выходную мощность.The objective of the invention is to develop such a modular wind power installation and a module for it, which would improve their efficiency by increasing the utilization of wind energy, in particular at low wind loads, to increase the output power.
Кроме того, ветроэнергетические модули должны обладать меньшими габаритами и повышенной надежностью в работе.In addition, wind power modules should have smaller dimensions and increased reliability.
Согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей основание, промежуточную опору, вертикальную силовую конструкцию, с установленными модулями ветрогенераторов, оборудование для накопления электроэнергии, управления и распределения,According to the invention, the goal is achieved in that in a wind power installation containing a base, an intermediate support, a vertical power structure, with installed modules of wind generators, equipment for energy storage, control and distribution,
модули ветрогенераторов установлены на консолях горизонтальных площадок, закрепленных на вертикальной силовой раме при этом, каждый модуль установлен подвижно-поворотно на подшипниковых опорах и снабжен рулевым системам стабилизации по воздушному потоку.wind generator modules are installed on consoles of horizontal platforms mounted on a vertical power frame; in addition, each module is mounted movably and swivel on bearing bearings and is equipped with steering systems for stabilization by air flow.
Кроме того, в модуле ветрогенератора, содержащем корпус, энергоагрегат, установленный в корпусе и имеющий воздушную турбину, механически связанную с генератором, включающем статор и ротор, при этом корпус выполнен с входным конфузором и выходным диффузором, и снабжен внешним эжектирующим устройством, выполненным в виде охватывающей корпус оболочки, снабженный вторым внешним входным конфузором и вторым внешним выходным диффузором, корпус выполнен в виде кольца, состоящего из внешней и внутренней кольцевых оболочек соединенных между собой радиальными стойками и образующих внутренний кольцевой проточный канал с расположенной в нем турбиной, при этом, диск турбины, статор и ротор генератора выполнены в виде колец, а наружный контур внутренней оболочки корпуса выполнен образующим проточный канал, в котором установлен обтекатель, образующий с проточным каналом внутреннее дополнительное эжектирующее устройство.In addition, in a wind generator module comprising a housing, a power unit installed in the housing and having an air turbine mechanically coupled to a generator including a stator and a rotor, the housing is made with an inlet confuser and an output diffuser, and is equipped with an external ejection device made in the form covering the shell of the shell, equipped with a second external input confuser and a second external output diffuser, the housing is made in the form of a ring consisting of external and internal annular shells connected between themselves radial struts and forming an inner annular flow channel with a turbine located in it, while the turbine disk, the stator and the rotor of the generator are made in the form of rings, and the outer contour of the inner shell of the casing is made forming a flow channel, in which a fairing is formed, forming with a flow channel internal additional ejector device.
Такое выполнение ветроэнергетической установки и модуля ветрогенератора позволяет повысить их эффективность, обеспечить максимально эффективное преобразование энергии воздушного потока в электрическую, уменьшить габариты, повысить надежность.This embodiment of the wind power installation and the wind generator module allows to increase their efficiency, to ensure the most efficient conversion of energy of the air flow into electrical energy, to reduce the size, and to increase reliability.
Перечень фигур на чертежах.The list of figures in the drawings.
Изобретение поясняется чертежами, на которых:The invention is illustrated by drawings, in which:
- Фиг.1 - показывает общий вид высокоэффективной ветроэнергетической установки, выполненной в соответствии с изобретением;- Figure 1 - shows a General view of a highly efficient wind power installation made in accordance with the invention;
- Фиг.2 - показывает конструкцию модуля ветрогенератора в продольном разрезе;- Figure 2 - shows the design of the module of the wind generator in longitudinal section;
- Фиг.3 - показывает узел А Фиг.2;- Figure 3 - shows the node And Figure 2;
- Фиг.4 - показывает схему работы ветрогенератора.- Figure 4 - shows a diagram of a wind generator.
Осуществление изобретения.The implementation of the invention.
Предлагаемая конструкция установки, представленной на фиг.1, состоит из опоры основания поз.1, вертикальной силовой рамы поз.2, промежуточной опоры поз.3 с технологическим помещением для техобслуживания модулей ветрогенераторов, технологической площадки поз.4, системы подвесных консолей поз.5, модулей ветрогенераторов поз.6, подшипниковых опор поз.7, узлов крепления модулей ветрогенераторов поз.8, рулевых систем стабилизации по воздушному потоку поз.9, аккумуляторной станции поз.10, вспомогательного технологического крана поз.11, вспомогательных тросов крепления поз.12.The proposed design of the installation shown in Fig. 1 consists of a base support, pos. 1, a vertical power frame, pos. 2, an intermediate support, pos. 3 with a technological room for maintenance of wind generator modules, a technological platform, pos. 4, and a system of suspended consoles, pos. 5 , wind generator modules,
Установка работает следующим образом. Воздушный поток движется направленным вертикальным фронтом на установку. При этом воздушный поток может иметь переменные направления, может быть неоднородным, имея различные скорости течения по высоте, а также двигаться в виде больших вертикальных вихрей. Благодаря рулевым системам стабилизации по воздушному потоку поз.9 и подшипниковым опорам поз.7, модули ветрогенераторов поз.6, закрепленные на подвесных консолях поз.5, разворачиваются навстречу дующему потоку ветра, в строго осевом соответствии градиенту течения воздушного потока, сеч. А-А, фиг.1. Таким образом, обеспечивается максимальная эффективность процесса преобразования энергии ветра в электрическую. Крепеж каждого модуля ветрогенератора поз.6 к подвесным консолям поз.5 осуществляется благодаря узлам крепления модулей ветрогенераторов поз.8. Подвесные консоли поз.5 равномерно закреплены на вертикальной силовой раме поз.2. Энергия, производимая всеми модулями ветрогенераторов по всей высоте башни, поступает в индивидуальную, аккумулирующую станцию поз.10, и при достижении определенной емкости, дозировано компьютером, сбрасывается через общее коммутирующее устройство энергетической станции в единую энергосеть. Дозированный режим зарядки и разрядки необходим для увеличения срока службы аккумуляторов, который напрямую зависит от стабильных условий эксплуатации. Аккумулирующая станция также может являться противовесом, удерживающим силовую раму в вертикальном положении. В качестве альтернативы аккумуляторной батарее, может использоваться батарея силовых конденсаторов, имеющая меньшее время на зарядку, и сброса в сеть, а также более компактные размеры и высокий срок службы.Installation works as follows. The air flow moves a directed vertical front to the installation. In this case, the air flow can have variable directions, it can be heterogeneous, having different flow velocities in height, and also move in the form of large vertical vortices. Thanks to the steering systems of stabilization by air flow pos.9 and bearing bearings pos.7, the modules of wind generators pos.6, mounted on the hanging consoles pos.5, are deployed towards the blowing wind flow, in strict axial accordance with the gradient of the air flow, sec. AA, figure 1. Thus, the maximum efficiency of the process of converting wind energy into electrical energy is ensured. The fastening of each wind generator module pos.6 to the hanging consoles pos.5 is carried out thanks to the fastening nodes of the wind generator modules pos.8. The pendant arms pos. 5 are evenly mounted on the vertical power frame, pos. 2. The energy produced by all wind generator modules over the entire height of the tower is supplied to an individual storage station,
Необходимая величина мощности энергетической станции достигается соединением достаточного количества модулей ветрогенераторов поз.6, фиг.1, по всей высоте башни, и дальнейшей установкой необходимого количества башен.The required power station power is achieved by connecting a sufficient number of wind generator modules,
Технологическая площадка поз.4 предназначена для быстрой смены готовых модулей, а также предварительного контроля состояния и оценки дальнейшей работоспособности снятого модуля. Для быстрой смены модулей применяется вспомогательный технологический кран поз.11.The technological platform pos.4 is intended for quick change of ready-made modules, as well as preliminary control of the condition and assessment of further operability of the removed module. An auxiliary process valve,
Для полной разборки подшипниковых опор поз.7 и замены подшипников в модулях ветрогенераторов поз.6 используется технологическое помещение в промежуточной опоре поз.3. Нахождение технологического помещения на определенной высоте снижает уровень запыленности помещения. Доставка модулей ветрогенераторов поз.6 на ремонт также осуществляется с помощью вспомогательного технологического крана поз.11. Профилактика и техническое обслуживание модулей ветрогенераторов необходимо также и в случае применения бесконтактных подшипников на базе сильных постоянных магнитов, так как, с течением времени, происходит снижение магнитных свойств неодимовых магнитов. Главная выгода в применении таких подшипников - бесшумность работы, минимальные потери механической мощности и отсутствие смазки.For a complete disassembly of the bearing bearings pos.7 and replacement of bearings in the wind generator modules pos.6, the technological room in the intermediate support pos.3 is used. Finding a technological room at a certain height reduces the level of dust in the room. Delivery of wind generator modules pos.6 for repair is also carried out using an auxiliary technological crane pos.11. Prevention and maintenance of wind generator modules is also necessary if contactless bearings based on strong permanent magnets are used, since, over time, the magnetic properties of neodymium magnets decrease. The main benefits in the use of such bearings are quiet operation, minimal loss of mechanical power and lack of lubrication.
Для дополнительной устойчивости энергетическая установка фиксируется тросами крепления поз.12, фиг.1.For additional stability, the power plant is fixed with fastening cables, pos.12, Fig.1.
В соответствии с изобретением модуль ветрогенератора содержит корпус, энергоагрегат, установленный в корпусе и имеющий воздушную турбину, механически связанную с генератором, включающем статор и ротор. Корпус выполнен с входным конфузором и выходным диффузором, и снабжен внешним эжектирующим устройством, выполненным в виде охватывающей корпус оболочки, снабженный вторым внешним входным конфузором и вторым внешним выходным диффузором,In accordance with the invention, the wind generator module comprises a housing, a power unit installed in the housing and having an air turbine mechanically coupled to a generator including a stator and a rotor. The housing is made with an inlet confuser and an output diffuser, and is equipped with an external ejection device made in the form of a shell enclosure, equipped with a second external input confuser and a second external output diffuser,
Кроме того, корпус выполнен в виде кольца, состоящего из внешней и внутренней кольцевых оболочек соединенных между собой радиальными стойками и образующих внутренний кольцевой проточный канал с расположенной в нем турбиной, при этом, диск турбины, статор и ротор генератора выполнены в виде колец, а наружный контур внутренней оболочки корпуса выполнен образующим проточный канал, в котором установлен обтекатель, образующий с проточным каналом внутреннее дополнительное эжектирующее устройство.In addition, the casing is made in the form of a ring consisting of outer and inner annular shells interconnected by radial struts and forming an inner annular flow channel with a turbine located in it, while the turbine disk, the stator and the generator rotor are made in the form of rings, and the outer the contour of the inner shell of the casing is made forming a flow channel, in which a fairing is installed, forming with the flow channel an internal additional ejector device.
Конструкция модуля ветрогенератора, фиг.2,4, состоит из корпуса (турбины), энергоагрегата поз.17, 45, 46, воздушной турбины поз.39, 42, 43 механически связанной с генератором, включающем статор поз.45,46 и ротор поз.17. Корпус состоит из внешней и внутренней кольцевых оболочек поз.23, 24, соединенных между собой радиальными стойками поз.54, обеспечивающих формирование входного конфузора поз.18 и выходного конфузора поз.19, формируемых кольцевыми оболочками поз.31, 32, 33, 34; корпус снабжен внешним эжектирующим устройством, выполненным в виде, охватывающих корпус, оболочек поз.62, 63, 64, 65; образующих проточный канал, фиг.4 поз.20, состоящий из второго внешнего входного конфузора поз.21 и второго внешнего выходного диффузора поз.22. Корпус также имеет дополнительное внутренне эжектирующее устройство, образованное наружным контуром внутренней оболочки поз.24, формирующим еще один проточный канал, фиг.4 поз.30, и обтекателем поз.29, 70 установленным внутри этого проточного канала. Внешняя и внутренняя кольцевые оболочки корпуса поз.23, 24, соединенные между собой радиальными стойками поз.54, образуют внутренний кольцевой проточный канал (турбины), фиг.4 поз.26, внутри которого располагается воздушная турбина поз.39, 42, 43; при этом диск турбины поз.39, статор генератора поз.45, 46 и ротор генератора поз.17 выполнены в виде кольца.The design of the wind generator module, Fig. 2,4, consists of a housing (turbine), power unit pos. 17, 45, 46, an air turbine pos. 39, 42, 43 mechanically connected to the generator, including a stator pos. 45,46 and a rotor pos .17. The housing consists of outer and inner annular shells pos.23, 24, interconnected by radial struts pos.54, providing the formation of the input confuser pos.18 and the output confuser pos.19, formed by the annular shells pos.31, 32, 33, 34; the housing is equipped with an external ejection device, made in the form, covering the housing, shells pos.62, 63, 64, 65; forming a flow channel, FIG. 4,
Внутренний обтекатель, состоящий из кока поз.29, силового кольца поз.69, хвостовика поз.70 соединяется с внешним эжектирующим устройством посредством силовых стоек поз.68 и крепежа поз.67. Корпус (турбины) соединяется с внешним эжектирующим устройством с помощью силовых стоек поз.60 и крепежа поз.61. Внешнее эжектирующее устройство имеет элементы жесткости поз.66, расположенные равномерно в радиальном направлении. Основное назначение силового кольца поз.69 заключается в строгой фиксации обтекателем осевого направления течении потока, сохранении четких границ площадей сечений потоков, участвующих в процессе эжекции.The internal fairing, consisting of coca pos. 29, power ring pos. 69, shank pos. 70 is connected to the external ejection device by means of power struts pos. 68 and fasteners pos. 67. The casing (turbines) is connected to an external ejector device using power racks pos. 60 and fasteners pos. 61. The external ejection device has stiffeners pos.66, arranged uniformly in the radial direction. The main purpose of the power ring pos. 69 is to strictly fix the axial direction of the flow stream by the fairing, preserving the clear boundaries of the cross-sectional areas of the flows involved in the ejection process.
Система стабилизации модуля ветрогенератора по воздушному потоку, поворотные опоры и элементы крепежа к несущим опорам на принципиальной схеме не показаны.The stabilization system of the wind generator module by air flow, rotary bearings and fasteners to the bearing supports are not shown in the schematic diagram.
Воздушная турбина фиг.3, расположенная внутри корпуса, состоит из диска турбины поз.39, выполненного в виде кольца, лопаток турбины поз.42, с вкладышем поз.43, крепежа лопаток поз.40, 41; воздушная турбина механически соединена с генератором, состоящим из ротора генератора поз.17, и статора, состоящего из сердечника поз.46, обмотки поз.45, корпусных кольцевых оболочек поз.49, 50, крепежа поз.47. Обмотки поз.45 располагаются между элементами крепежа поз.47. Ротор генератора поз.17 соединен с диском турбины поз.39 с помощью крепежа поз.44. Ротор генератора представляет собой диск, на котором, в осевом направлении, соответственно геометрии кривизны поверхности, равномерно наклеены постоянные магниты на неодимовой основе. Воздушная турбина, фиг.3, устанавливается на силовой корпус поз.35, выполненный в виде кольца, и соединенный с переходным фланцем поз.48, с корпусными кольцами генератора поз.49, 50, с двумя кольцевыми оболочками поз.32, 33, и с лопатками соплового аппарата поз.5 4. Для установки турбины, на силовом корпусе поз.35, равномерно в радиальном направлении, смонтировано 6 валов поз.36, на которых закреплены подшипники поз.37, и на которые, непосредственно, установлен диск турбины поз.39; и 3 радиальных вала поз.38, на которых также установлены подшипники поз.37, предотвращающие заклинивание турбины в процессе работы. С помощью крепежа поз.57 лопатки соплового аппарата поз.54, являющиеся также силовыми стойками, соединяются с корпусным кольцом поз.55, и с корпусным кольцом поз.53. С помощью корпусного кольца поз.55 осуществляется монтаж кольцевой оболочки поз.32. Корпусное кольцо поз.53 при помощи крепежа поз.51 соединяется с переходным фланцем поз.48, на котором установлен статор генератора с помощью крепежа поз.56. С помощью крепежа поз.52 соединяется силовой корпус турбины поз.35 и переходный фланец поз.48 с закрепленным на нем статором генератора и лопатками соплового аппарата поз.54.The air turbine of FIG. 3, located inside the casing, consists of a turbine disk of pos. 39, made in the form of a ring, turbine blades of pos. 42, with an insert of pos. 43, a blade fastener pos. 40, 41; the air turbine is mechanically connected to a generator consisting of a generator rotor pos.17 and a stator consisting of a core pos.46, a winding pos.45, housing ring shells pos.49, 50, fasteners pos.47. The windings of pos. 45 are located between the fastener elements of pos. 47. The generator rotor pos.17 is connected to the turbine disk pos.39 using fasteners pos.44. The generator rotor is a disk on which, in the axial direction, according to the geometry of the surface curvature, permanent magnets on a neodymium base are uniformly glued. The air turbine, figure 3, is installed on the power housing pos. 35, made in the form of a ring, and connected to the adapter flange pos. 48, with the housing rings of the generator pos. 49, 50, with two ring shells pos. 32, 33, and with blades of the nozzle apparatus pos.5 4. For mounting the turbine, on the power housing pos.35, uniformly in the radial direction, 6 shafts pos.36 are mounted, on which the bearings pos.37 are mounted, and on which, directly, the turbine disc pos .39; and 3 radial shafts, pos. 38, on which bearings, pos. 37 are also installed, which prevent the turbine from jamming during operation. Using the fasteners pos. 57, the blades of the nozzle apparatus pos. 54, which are also power racks, are connected to the housing ring pos. 55, and to the housing ring pos. 53. Using the housing ring pos.55, the installation of the annular shell pos.32. The housing ring pos. 53, using the fasteners pos. 51, is connected to the adapter flange pos. 48, on which the generator stator is mounted using the fasteners pos. 56. Using the fasteners of pos. 52, the power turbine housing of pos. 35 and the adapter flange of pos. 48 are connected to the generator stator and the blades of the nozzle apparatus pos. 54.
Основные каналы течения потоков, фиг.2, 4:The main channels of the flow of flows, figure 2, 4:
- внутренний кольцевой проточный канал турбины поз.26, состоящий из конфузора поз.18 и диффузора поз.19, образованный между внешней кольцевой оболочкой корпуса турбины поз.23 и внутренней кольцевой оболочкой корпуса турбины поз.24;- the inner annular flow channel of the turbine pos. 26, consisting of the confuser pos. 18 and the diffuser pos. 19, formed between the outer annular shell of the turbine housing pos.23 and the inner annular shell of the turbine housing pos.24;
- внешний эжектирующий канал (устройство) поз.20, состоящий из конфузора поз.21, образованного внешней охватывающей оболочкой поз.62 и внешней кольцевой оболочкой корпуса турбины поз.23, 31, и диффузора поз.22, образованного внешней охватывающей оболочкой поз.65 и кольцевой оболочкой хвостовика поз.70, являющегося также общим выпускным каналом для всех потоков, проходящих через модуль ветрогенератора;- an external ejection channel (device), pos. 20, consisting of a confuser, pos.21, formed by the external female shell pos.62 and the outer ring shell of the turbine housing pos.23, 31, and a diffuser pos.22, formed by the external female shell pos.65 and the annular shell of the shank pos. 70, which is also a common outlet channel for all flows passing through the wind generator module;
- внутренний эжектирующий канал (устройство) поз.30, состоящий из конфузора поз.28, образованного внутренней кольцевой оболочкой корпуса турбины поз.24,34 и коком поз.29, и диффузора поз.22, образованного внешней охватывающей оболочкой поз.6 5 и кольцевой оболочкой хвостовика поз.70.- an internal ejection channel (device), pos. 30, consisting of a confuser, pos. 28, formed by the inner annular shell of the turbine housing, pos. 24,34 and a coke pos. 29, and a diffuser, pos. 22, formed by an external envelope, pos. annular shell of the shank pos. 70.
Стабилизатор напряжения (не показан) выполнен в виде внешнего выносного блока; силовая проводка (не показана) выводится через стойки в отдельный блок на внешней оболочке несущего корпуса и коммутируется параллельно с общей сетью станции.The voltage stabilizer (not shown) is made in the form of an external remote unit; power wiring (not shown) is output through the racks into a separate unit on the outer shell of the bearing housing and is switched in parallel with the station’s common network.
Модуль энергетической установки работает следующим образом, фиг.4. Воздушный поток движется в осевом направлении к корпусу турбины, сформированному внешней и внутренней кольцевыми оболочками поз.23 и 24, формируемых кольцевыми оболочками поз.31, 32, 33, 34 фиг.4, благодаря которому поток делится сначала на два потока - линии тока "b-b" и "с-с", а затем, достигая несущего корпуса - на три потока: линии тока "а-а", "b-b" и "с-с". Первоначально, входящий поток попадает непосредственно в сужающийся входной канал осевой турбины, конфузор поз.18, формируемый кольцевыми оболочками поз.32, 33 - линия тока "b-b", и во внутренний канал поз.27, почти постоянного сечения, формируемый кольцевой оболочкой поз.34 - линия тока "с-с". Сужающийся входной канал "b-b" осевой турбины, конфузор поз.18 спрофилирован таким образом, чтобы максимально снизить потери, связанные с разгоном потока. Поэтому, течение потока в канале осевой турбины прямолинейно, не имеет пространственных изгибов, длина канала минимальна. После прохождения потока через осевую турбину и совершения работы, появляется значительная окружная составляющая скорость вращения потока и снижается осевая скорость. Наличие значительной окружной составляющей потока может сильно препятствовать эффекту эжекции, т.к. вследствие ее влияния в эжектирующем потоке также появится вторичная окружная составляющая, которая в свою очередь будет также снижать осевую скорость эжектирующего потока, что в конечном итоге приведет к серьезному ухудшению эффекта эжекции. Поэтому с целью резкого снижения величины окружной составляющей, а также обеспечения лучших условий течения для отвода отработавшего потока после осевой турбины, выходной канал осевой турбины, диффузор поз.19, формируемый кольцевыми оболочками поз.58, 59 выполнен расширяющимся до немного большего сечения, чем первоначальное, входящее сечение конфузора поз.18. Теперь в выходном сечении, соответствующем точке поз.73, скорость потока имеет близкую, к первоначальной, осевую скорость течения и ощутимо меньшую окружную скорость вращения.The power plant module operates as follows, FIG. 4. The air flow moves axially towards the turbine casing, formed by the outer and inner annular shells pos.23 and 24, formed by the annular shells pos.31, 32, 33, 34 of figure 4, due to which the flow is first divided into two streams - streamlines " bb "and" c-s ", and then, reaching the supporting body - into three streams: stream lines" a-a "," bb "and" c-s ". Initially, the incoming stream enters directly into the tapering inlet channel of the axial turbine, the confuser pos. 18, formed by the annular shells pos. 32, 33 - the stream line "bb", and into the internal channel pos. 27, an almost constant section, formed by the annular shell pos. 34 - current line "s-s". The tapering inlet channel “b-b” of the axial turbine, the confuser pos. 18 is profiled in such a way as to minimize losses associated with the acceleration of the flow. Therefore, the flow in the channel of the axial turbine is straightforward, has no spatial bends, the channel length is minimal. After the flow has passed through the axial turbine and the work has been completed, a significant peripheral component appears, the rotation speed of the flow and the axial speed decreases. The presence of a significant circumferential component of the flow can strongly interfere with the ejection effect, since due to its influence, a secondary circumferential component will also appear in the ejection flow, which in turn will also reduce the axial velocity of the ejection flow, which will ultimately lead to a serious deterioration of the ejection effect. Therefore, in order to sharply reduce the value of the circumferential component, as well as to provide better flow conditions for exhaust flow after the axial turbine, the output channel of the axial turbine, the diffuser pos. 19 formed by the annular shells pos. 58, 59 is made expanding to a slightly larger cross section than the original , the incoming section of the confuser pos. 18. Now, in the output section corresponding to the point in pos. 73, the flow velocity has an axial flow velocity close to the initial one and significantly lower peripheral rotation speed.
В этом же сечении, но в точках, соответствующим поз.72, потоки текущие во внутреннем эжектирующем канале "с-с" поз.30, формируемом кольцевой оболочкой поз.34 и поверхностью кока поз.29, ускоренные в конфузоре поз.28, и во внешнем эжектирующем канале "а-а" поз.20, формируемом кольцевыми оболочками поз.31 и 62, ускоренный в конфузоре поз.21, с одинаковой, но вдвое большой осевой скоростью, чем поток "b-b", обеспечивают равномерное падение статического давления -ΔР поз.72, создавая эффект разрежения; соответствующие диаграммы изменений давлений +ΔР/-ΔР линий течения потоков "а-а", "b-b", "с-с", расположенные под основной схемой, фиг.4. Статическое давление потока "b-b", прошедшего турбину в точке поз.73, и вернувшегося к исходным параметрам до входа в установку, больше, +ΔР. Возникает разность давлений, благодаря которой образуется область образования эжекции, показанная на диаграмме на фиг.4, в результате которой поток "b-b", прошедший осевую турбину начинает расширяться в сторону внутреннего "с-с" и внешнего эжектирующих каналов "а-а" каналов, создавая таким образом, пониженное давление за турбиной, и обеспечивая условия для более эффективной работы турбины. Течение эжектирующих потоков во внутреннем "с-с" и внешнем "а-а" каналах, обеспечивающих разгон, происходит на минимальной длине, с минимальными потерями.In the same section, but at the points corresponding to pos. 72, the flows flowing in the internal ejection channel "c-c" pos. 30, formed by the annular sheath pos. 34 and the coke surface pos. 29, accelerated in the confuser pos. 28, and in the external ejection channel "aa" pos. 20, formed by the annular shells pos.31 and 62, accelerated in the confuser pos.21, with the same, but twice as great axial velocity than the flow "bb", provide a uniform drop in static pressure - ΔР pos. 72, creating a rarefaction effect; corresponding diagrams of pressure changes + ΔP / -ΔP of the flow lines of the flows "aa", "b-b", "cc", located under the main circuit, Fig.4. The static pressure of the flow "b-b", passing the turbine at the point pos.73, and returning to the initial parameters before entering the installation, is greater, + ΔР. A pressure difference arises, due to which an ejection formation region is formed, shown in the diagram in Fig. 4, as a result of which the flow "bb" passing through the axial turbine begins to expand towards the internal "c-c" and the external ejection channels "aa" of the channels thus creating reduced pressure behind the turbine, and providing conditions for more efficient operation of the turbine. The flow of ejection flows in the internal "s-c" and external "a-a" channels, providing acceleration, occurs at a minimum length, with minimal loss.
Таким образом, в полезной работе, совершаемой осевой турбиной, участвует весь поток, проходящий через общее, суммарное входное сечение. Благодаря этому, эффективность работы энергетической установки существенно возрастает. Далее, все потоки, смешиваясь, выравнивая температуру и скорость течения, по общему выходному каналу, диффузору поз.22, формируемым оболочками поз.65, 70, выходят снова в окружающую среду.Thus, in the useful work performed by the axial turbine, the entire flow passing through the total, total input section is involved. Due to this, the efficiency of the power plant increases significantly. Further, all the flows, mixing, equalizing the temperature and flow velocity, along the common output channel, the diffuser pos.22, formed by the shells pos.65, 70, go back into the environment.
Несмотря на то, что принцип действия предлагаемого модуля ветрогенератора, заключающйся в применении двойного воздействия воздушного потока на турбину - динамическое давление ускоренного потока на входе в турбину и создание разрежения в выходном канале турбины, с целью снижения сопротивления течения потока после выхода из турбины, известен достаточно давно, в предлагаемой конструкции существует одно главное, принципиальное, отличие от существующих прототипов, фиг.4.Despite the fact that the principle of operation of the proposed wind generator module, which consists in applying a double effect of air flow to the turbine — the dynamic pressure of the accelerated flow at the turbine inlet and the creation of rarefaction in the turbine outlet, in order to reduce the flow resistance after exiting the turbine for a long time, in the proposed design, there is one main, fundamental, difference from existing prototypes, Fig.4.
Таким главным отличием является турбина, в которой нет традиционного диска, а эквивалентом диска является тонкое, но жесткое кольцо, на котором установлены лопатки воздушной турбины. При этом освобождается внутреннее пространство, которое можно использовать для эжектирующего канала, сделав установку более компактной. Принципиальное значение имеет и то, что такая турбина имеет минимальный момент инерции.Such a main difference is a turbine in which there is no traditional disk, and the equivalent of a disk is a thin but rigid ring on which the blades of an air turbine are mounted. This frees up the internal space that can be used for the ejection channel, making the installation more compact. Of fundamental importance is the fact that such a turbine has a minimum moment of inertia.
Кроме этого, есть еще ряд принципиальных отличий от уже существующих конструкций.In addition, there are a number of fundamental differences from existing structures.
Первое отличие заключается в том, что для того, чтобы максимально сократить нежелательное трение потоков о стенки проточных каналов, все проточные каналы имеют минимальную длину и прямолинейные, чтобы обеспечить прямолинейность течения потоков, и исключить пространственные изгибы.The first difference is that in order to minimize unwanted friction of the flows against the walls of the flow channels, all flow channels have a minimum length and are linear in order to ensure the straightness of the flow and to eliminate spatial bends.
Второе принципиальное отличие заключается в том, что поскольку потоки ветра - это преимущественно низкоскоростные течения, то для того, чтобы получить приемлемые параметры напряжения (величина которого прямо зависит от частоты вращения), максимальная линейная скорость вращения (рабочие частоты вращения турбин), сопоставима с осевой скоростью течения ветрового потока. Тогда не придется создавать огромные, еле вращающиеся рабочие колеса, для которых потом, неизбежно, придется применять сложные и шумные мультипликаторы.The second fundamental difference is that since wind flows are mainly low-speed currents, in order to obtain acceptable voltage parameters (the magnitude of which directly depends on the rotational speed), the maximum linear rotational speed (operating turbine rotational frequencies) is comparable to the axial wind flow rate. Then you do not have to create huge, barely rotating impellers, for which then, inevitably, you will have to use complex and noisy animators.
Третьим принципиальным отличием, в отличие от традиционных винтов, является то, что с ростом скорости ветра мощность турбин только увеличивается, в то время как у винтов, с ростом скорости происходит рост концевого сопротивления и, при увеличении скорости ветра сверх расчетных режимов, происходит падение мощности. Это факт находит отражение во всех технических паспортах серьезных фирм, производящих винтовые ветрогенераторы, которые доступны для прочтения в Интернете.The third fundamental difference, unlike traditional propellers, is that with increasing wind speed the power of the turbines only increases, while for propellers, with increasing speed, the end resistance increases and, with an increase in wind speed in excess of the calculated conditions, the power decreases . This fact is reflected in all technical data sheets of serious companies producing helical wind generators that are available for reading on the Internet.
Четвертое принципиальное отличие заключается в модульном принципе достижения необходимого уровня заданной мощности, что существенно расширяет возможности применения, эксплуатации установок. Благодаря модульному принципу, вокруг несущей опоры по всей высоте расположена система ветрогенераторов, преобразующая энергию ветра в полезную электроэнергию по всей высоте энергетической установки, в то время как во всех, серийно выпускаемых конструкциях ветрогенераторов, несущая опора несет только один генератор на определенной высоте, и не преобразует энергию воздушного потока в полезную энергию по всей высоте.The fourth fundamental difference lies in the modular principle of achieving the required level of a given power, which significantly expands the possibilities of application, operation of plants. Due to the modular principle, a system of wind generators is located around the bearing support along the entire height, which converts wind energy into useful electricity over the entire height of the power plant, while in all commercially available wind generator designs, the bearing support carries only one generator at a certain height, and not Converts airflow energy into usable energy over its entire height.
Пятым принципиальным отличием, в отличие от традиционных винтов, является то, что при соединении модулей в башню, возможно построение башни существенно большей высоты, поскольку вся башня равномерно воспринимает давление потока ветра в отличие от огромного винта, создающего большой изгибающий момент вследствие точечного приложения нагрузки в самой верхней точке силовой башни. Благодаря большей высоте башни возможна работа при более высоких скоростях ветра, и следовательно, обеспечить возможность существенно более высокого съема электроэнергии с единицы занимаемой площади земли.The fifth fundamental difference, unlike traditional screws, is that when connecting the modules to the tower, it is possible to build a tower of significantly greater height, since the entire tower evenly perceives the pressure of the wind flow, unlike a huge screw that creates a large bending moment due to the point load application in the highest point of the power tower. Due to the greater height of the tower, it is possible to work at higher wind speeds, and therefore, to ensure the possibility of a significantly higher removal of electricity from a unit of occupied land.
Шестым принципиальным отличием, является то, что благодаря модульному принципу построения предлагаемой установки, все базовые детали имеют сравнительно небольшие размеры и это позволяет наладить массовое автоматизированное производство подобных установок, поскольку унифицировано большинство применяемых деталей и узлов. А благодаря крупносерийному производству возможно существенное снижение цен на модули ветрогенераторов, и в конечном итоге, на саму энергетическую установку.The sixth fundamental difference is that, due to the modular principle of constructing the proposed installation, all the basic parts are relatively small and this allows you to set up mass automated production of such installations, since most of the used parts and assemblies are unified. And thanks to large-scale production, a significant reduction in prices for wind generator modules, and ultimately, for the power plant itself, is possible.
Вследствие того, что в данном изобретении учтены основные недостатки, применяемых в настоящее время, ветроэнергетических электростанций, предлагаемая конструкция имеет следующие принципиальные преимущества, заключающиеся в том, что:Due to the fact that this invention takes into account the main disadvantages of the currently used wind power plants, the proposed design has the following principal advantages, namely:
- высокая эффективность работы воздушного потока, охватывающего общее суммарное сечение на входе, достигается благодаря оптимальной, постоянно создаваемой разности динамических давлений воздушных потоков - между потоком, проходящем через турбину и между потоками обеспечивающих разрежение после турбины;- high efficiency of the air flow, covering the total total cross section at the inlet, is achieved due to the optimal, constantly created difference in the dynamic pressures of the air flows - between the flow passing through the turbine and between the flows providing vacuum after the turbine;
- обеспечивается максимально эффективное преобразование энергии воздушного потока в электрическую с помощью турбин, в отличие от больших воздушных винтов, благодаря большей однородности течения воздушного потока, поскольку области контакта воздушного потока, создающие крутящий момент, находятся на близких радиусах, с подобными линейными скоростями, и имеют более простую картину течения, чем традиционная закрутка лопастей больших винтов, линейная скорость вращения которых в центре - почти ноль, а на концах - практически сверхзвуковая. Применяемые турбины проще в расчетах и в серийном изготовлении, в отличие от больших лопастей воздушных винтов большого диаметра;- provides the most efficient conversion of energy of the air flow into electrical energy using turbines, in contrast to large propellers, due to the greater uniformity of the flow of air flow, since the contact areas of the air flow that create torque are at close radii, with similar linear velocities, and have a simpler picture of the flow than the traditional twist of the blades of large screws, the linear speed of rotation of which in the center is almost zero, and at the ends it is almost supersonic. The turbines used are simpler in calculations and in serial production, in contrast to the large blades of propellers of large diameter;
- обеспечивается оптимальное сочетание линейной скорости вращения и входящей осевой скорости потока, прошедшего сужающийся сопловой аппарат, с учетом радиуса турбины;- provides the optimal combination of linear rotational speed and incoming axial flow velocity, passing the tapering nozzle apparatus, taking into account the radius of the turbine;
- минимальная величина потерь, связанных с разворотом потока в сопловой аппарат центростремительной турбины достигается оптимальным сочетанием геометрических характеристик входного канала;- the minimum amount of losses associated with the rotation of the flow into the nozzle apparatus of the centripetal turbine is achieved by the optimal combination of the geometric characteristics of the input channel;
- сравнительно небольшой диаметр применяемых турбин и небольшой вес позволяет максимально снизить момент инерции роторов и обеспечить согласованную динамику вращения в соответствии с меняющейся скоростью ветра, и получать больше полезной энергии при более низких скоростях ветра;- the relatively small diameter of the turbines used and the small weight allows to minimize the moment of inertia of the rotors and ensure consistent dynamics of rotation in accordance with the changing wind speed, and get more useful energy at lower wind speeds;
- отсутствие мультипликаторов благодаря бесконтактной схеме электрогенератора и отсутствие, соответственно, проблем связанных с эксплуатацией и дополнительным шумом;- the absence of multipliers due to the contactless circuit of the electric generator and the absence, respectively, of problems associated with operation and additional noise;
- расположение турбин во внутренней области конструкции обеспечивает бесшумность работы и высокий уровень безопасности; позволяет избежать необходимости создания большой зоны отчуждения земли, в отличие от больших вращающихся лопастей традиционных воздушных винтов, а также более просто организовать защиту от попадания птиц;- the location of the turbines in the internal area of the design ensures quiet operation and a high level of safety; avoids the need to create a large zone of land alienation, in contrast to the large rotating blades of traditional propellers, as well as more simply organize protection against birds;
- предлагаемые технические решения позволяет эффективно работать также и в водной среде, без возведения дорогостоящих плотин.- the proposed technical solutions allows you to work effectively also in the aquatic environment, without the construction of expensive dams.
Предполагаемый коэффициент использования энергии ветра, который можно достигнуть, находится получить в пределах 0,54 при номинальных скоростях ветра в пределах 7-8 м/с; минимальная стартовая скорость ветра -от 3 м/с.The estimated wind energy utilization coefficient that can be achieved is found to be within 0.54 at nominal wind speeds in the range of 7-8 m / s; minimum starting wind speed is from 3 m / s.
Для создания высокоэффективных, бесшумно работающих ветроэнергетических установок с постоянным перепадом динамических давлений воздушных потоков, модульного типа, любой мощности, работающих в самых жестких условиях, в течение самого длительного времени и самых минимальных эксплуатационных затратах, есть все необходимые материалы и производственные технологии.To create highly efficient, silently running wind power plants with a constant differential pressure of air flow, modular type, any power, working in the most severe conditions, for the longest time and the lowest operating costs, there are all the necessary materials and production technologies.
Источники информацииInformation sources
1. Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо. - М.: Энергоатомиздат, 1982, с.81-96.1. Wind power. Ed. D. de Renzo. - M .: Energoatomizdat, 1982, p. 81-96.
2. Патент Японии 62-11190, кл. F03D 1/00, 1987.2. Japan patent 62-11190, cl.
3. Патент РФ №2 124142 С1, кл. 6 F03D 1/04.3. RF patent No. 2 124142 C1, cl. 6
4. Описание изобретения №2231679 С2, МПК кл. F03D 1/04, F03D 9/02.4. Description of the invention No. 2231679 C2, IPC class.
5. Поисковая система google.ru, запросы «ветроэнергетические установки», «ветрогенераторы», «ветроэнергетика», «картинки ветрогенераторов», breezex.ru, rosinnm.ru, enecsis.ru, vetrokompozit.tiu.ru.5. The search system google.ru, queries “wind power plants”, “wind generators”, “wind power”, “pictures of wind generators”, breezex.ru, rosinnm.ru, enecsis.ru, vetrokompozit.tiu.ru.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011153370/06A RU2492353C1 (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Highly efficient wind-driven plant of modular type and wind generator module for it |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011153370/06A RU2492353C1 (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Highly efficient wind-driven plant of modular type and wind generator module for it |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011153370A RU2011153370A (en) | 2013-07-10 |
| RU2492353C1 true RU2492353C1 (en) | 2013-09-10 |
Family
ID=48787243
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011153370/06A RU2492353C1 (en) | 2011-12-27 | 2011-12-27 | Highly efficient wind-driven plant of modular type and wind generator module for it |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2492353C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2712861C1 (en) * | 2018-09-27 | 2020-01-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Tower type structure for installation of wind electric generators |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1590626A1 (en) * | 1988-10-11 | 1990-09-07 | Предприятие П/Я А-1097 | Wind motor |
| RU2000467C1 (en) * | 1990-11-22 | 1993-09-07 | Корниенко В.А. | Power plant |
| RU2124142C1 (en) * | 1998-03-25 | 1998-12-27 | Орлов Игорь Сергеевич | Wind-driven electric plant |
| RU2231679C2 (en) * | 2002-04-15 | 2004-06-27 | Бяков Евгений Михайлович | Windmill electric generating plant |
-
2011
- 2011-12-27 RU RU2011153370/06A patent/RU2492353C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1590626A1 (en) * | 1988-10-11 | 1990-09-07 | Предприятие П/Я А-1097 | Wind motor |
| RU2000467C1 (en) * | 1990-11-22 | 1993-09-07 | Корниенко В.А. | Power plant |
| RU2124142C1 (en) * | 1998-03-25 | 1998-12-27 | Орлов Игорь Сергеевич | Wind-driven electric plant |
| RU2231679C2 (en) * | 2002-04-15 | 2004-06-27 | Бяков Евгений Михайлович | Windmill electric generating plant |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2712861C1 (en) * | 2018-09-27 | 2020-01-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) | Tower type structure for installation of wind electric generators |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011153370A (en) | 2013-07-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2124142C1 (en) | Wind-driven electric plant | |
| US4075500A (en) | Variable stator, diffuser augmented wind turbine electrical generation system | |
| RU2493427C2 (en) | Wind-driven power plant, generator to generate power from ambient air and method to generate power from moving ambient air | |
| US20120003077A1 (en) | Annular multi-rotor double-walled turbine | |
| US8269368B2 (en) | Wind and solar electric generator | |
| EA030338B1 (en) | Rotor apparatus | |
| US20090087300A1 (en) | Vertical axis dual vortex downwind inward flow impulse wind turbine | |
| CN103703245A (en) | Systems, devices and methods for improving efficiency of wind power generation systems | |
| US8221072B2 (en) | Ultra high power density wind turbine system | |
| CN110630454A (en) | Motor and heat exchange device of shaft system thereof and wind generating set | |
| GB2426554A (en) | Tubular turbine with magnetic bearings | |
| RU2511780C1 (en) | Wind power module with vertical centripetal turbine, and high-efficiency power plant for alternate current generation | |
| RU2492353C1 (en) | Highly efficient wind-driven plant of modular type and wind generator module for it | |
| US8148841B1 (en) | Modular wind turbine system | |
| EP3029316B1 (en) | Wind power generation tower | |
| RU2623637C2 (en) | Wind-heat converter-accumulator | |
| GB2494873A (en) | Axial turbine with inlet and outlet volutes for bi-directional air flow | |
| KR20100047131A (en) | Dual rotor type windmill | |
| RU2310090C1 (en) | Wind power-generating device | |
| JP2018123819A (en) | Flow body compressor and electric generator utilizing flow torque of spiral revolution flow body | |
| GB2488394A (en) | Air driven Tesla turbine with Halbach array generator | |
| KR20090040190A (en) | Buildng type wind power generato system | |
| KR101842451B1 (en) | Wind power generator | |
| RU2186244C1 (en) | Windmill-electric generating plant | |
| CN203146232U (en) | Coupling-type wind gathering power generation system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171228 |