RU2665835C1 - Система преобразования энергии ветра - Google Patents
Система преобразования энергии ветра Download PDFInfo
- Publication number
- RU2665835C1 RU2665835C1 RU2017117570A RU2017117570A RU2665835C1 RU 2665835 C1 RU2665835 C1 RU 2665835C1 RU 2017117570 A RU2017117570 A RU 2017117570A RU 2017117570 A RU2017117570 A RU 2017117570A RU 2665835 C1 RU2665835 C1 RU 2665835C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- modules
- wind
- wind energy
- guide web
- energy conversion
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 39
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 5
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 31
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 9
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 6
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 4
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 3
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 3
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 239000011152 fibreglass Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03D—WIND MOTORS
- F03D5/00—Other wind motors
- F03D5/04—Other wind motors the wind-engaging parts being attached to carriages running on tracks or the like
-
- 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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Wind Motors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к системам преобразования энергии ветра в электроэнергию. Система преобразования энергии ветра в электрическую энергию содержит направляющее полотно, модули преобразования энергии ветра, включающие приемники ветровой энергии, выполненные с возможностью перемещения по направляющему полотну за счет энергии ветра, и устройство управления и согласования движением модулей преобразования энергии ветра, при этом направляющее полотно связано с контактной направляющей, взаимодействующей с модулями преобразования энергии ветра с обеспечением генерирования электрического тока при движении модулей преобразования энергии. При этом устройство управления и согласования движением модулей выполнено с возможностью изменения числа работающих модулей путем ввода дополнительных модулей на направляющее полотно или вывода модулей с направляющего полотна в зависимости от ветровых условий текущего момента времени. Устройство управления и согласования движением модулей выполнено с возможностью непрерывного изменения скорости движения каждого модуля в зависимости от ветровых условий текущего момента времени, непрерывного изменения ориентации каждого приемника ветровой энергии относительно ветра в зависимости от ветровых условий текущего момента времени и непрерывного изменения аэродинамического профиля и/или площади крыла каждого модуля в зависимости от ветровых условий текущего момента времени. Изобретение направлено на повышение коэффициента использования энергии ветра. 19 з.п. ф-лы, 6 ил.
Description
Изобретение относится к области энергетики, а более конкретно касается ветровых энергетических установок, производящих электрическую энергию за счет использования энергии потока воздуха.
Уровень техники
Из уровня техники известна система преобразования энергии ветра, содержащая направляющее полотно, модули преобразования энергии ветра, включающие в себя приемники ветровой энергии, выполненные с возможностью перемещения по направляющему полотну за счет энергии ветра (см. WO 2016150561 А).
Также из уровня техники известна система, содержащая направляющее полотно, состоящее из прямолинейных и криволинейных участков, модули преобразования энергии ветра, включающие в себя приемники ветровой энергии с возможностью ориентации относительно ветра, выполненные с возможностью перемещения по направляющему полотну за счет энергии ветра (см. FR 2297333 А1).
Также известна система, содержащая направляющее полотно, состоящее из прямолинейных и криволинейных участков, механически связанных между собой, модули преобразования энергии ветра, включающие в себя приемники ветровой энергии с возможностью ориентации относительно ветра, выполненные с возможностью перемещения по направляющему полотну за счет энергии ветра, устройство управления и согласования движением модулей преобразования энергии ветра (см. WO 2016154757 А1).
Все описанные выше решения используют принцип линейного движения приемника ветровой энергии, в то время как традиционные, известные из уровня техники решения используют вращательное движение приемника ветровой энергии.
Общими недостатками вышеуказанных известных из уровня техники технических решений, являются:
- отсутствие возможности использовать всю площадь крыльев в оптимальном режиме, в виду того, что в традиционной схеме оптимально работает только кончик крыла;
- узкий диапазон скоростей ветра, при которых система эффективна, ввиду невозможности изменения площади крыльев и изменения установленной мощности генератора. Традиционный ветряк работает в оптимальном режиме, по некоторым оценкам, не более 15% времени. В остальные дни ветер для него слишком слабый, иногда слишком сильный;
- достижение эффективного режима работы только при высокой быстроходности, следствием чего являются, создание мощных инфразвуковых волн, опасность для животных и людей, массовая гибель птиц, необходимость создания зоны отчуждения вокруг установки;
- высокая нагруженность элементов конструкции, что вынуждает применять дорогостоящие конструкционные материалы и технологии;
- большие габариты и масса деталей конструкции, для транспортировки и монтажа которых требуется проведение уникальных транспортных и монтажных операций;
- низкая ремонтопригодность конструкций, для замены любой крупной детали требуется повторное проведение уникальных транспортных и монтажных операций;
- потеря работоспособности конструкции при выходе из строя любой детали, что вызывает простой до полного завершения ремонта.
Наиболее близкой к предложенной является система преобразования энергии ветра в электрическую энергию, содержащая направляющее полотно, модули преобразования энергии ветра, включающие приемники ветровой энергии в виде воздушных змеев, выполненные с возможностью перемещения по направляющему полотну за счет энергии ветра, и устройство управления и согласования движением модулей преобразования энергии ветра, при этом направляющее полотно связано с контактной направляющей, взаимодействующей с модулями преобразования энергии ветра с обеспечением генерирования электрического тока при движении модулей преобразования энергии (RU 2451826 С2, опубл. 27.05.2012). В известной системе устройство управления выполнено с возможностью регулирования угла атаки воздушных змеев в связи с искажением формы привязного троса.
Указанная система обладает следующими недостатками.
Отсутствует возможность изменять суммарное количество модулей на направляющем полотне, и как следствие, отсутствует возможность изменять суммарную площадь работающих приемников ветровой энергии, что приводит к невозможности работы системы с максимальным КИЭВ в широком диапазоне скорости ветра.
Отсутствует возможность устранения потерь ветровой энергии, вызванной скосом потока за работающими приемниками ветровой энергии.
Отсутствует возможность эффективной работы системы при небольшой поступательной скорости приемников ветровой энергии, что приводит к появлению аэродинамического шума и инфразвуковых волн.
Раскрытие изобретения
В качестве технической проблемы заявленного технического решения положено создание системы преобразования энергии ветра, лишенной вышеописанных недостатков и обладающего повышенной энергетической эффективностью.
Технический результат, достигаемый заявленным техническим решением, заключается в обеспечении высокого коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ), в том числе при снижении скорости движения модулей.
Технический результат достигается системой преобразования энергии ветра в электрическую электроэнергию, содержащей направляющее полотно, модули преобразования энергии ветра, включающие приемники ветровой энергии, выполненные с возможностью перемещения по направляющему полотну за счет энергии ветра, и устройство управления и согласования движением модулей преобразования энергии ветра, при этом направляющее полотно связано с контактной направляющей, взаимодействующей с модулями преобразования энергии ветра с обеспечением генерирования электрического тока при движении модулей преобразования энергии, при этом согласно изобретению устройство управления и согласования движением модулей выполнено с возможностью изменения числа работающих модулей путем ввода дополнительных модулей на направляющее полотно или вывода модулей с направляющего полотна в зависимости от ветровых условий текущего момента времени.
В частных случаях выполнения система характеризуется тем, что:
- устройство управления и согласования движением модулей может быть выполнено с возможностью непрерывного изменения скорости движения каждого модуля в зависимости от ветровых условий текущего момента времени;
- устройство управления и согласования движением модулей может также быть выполнено с возможностью непрерывного изменения ориентации каждого приемника ветровой энергии относительно ветра в зависимости от ветровых условий текущего момента времени;
- устройство управления и согласования движением модулей также может быть выполнено с возможностью непрерывного изменения аэродинамического профиля и/или площади крыла каждого модуля в зависимости от ветровых условий текущего момента времени;
- направляющее полотно может быть установлено на поддерживающей конструкции в виде эстакады;
-m направляющее полотно может также быть выполнено криволинейной формы на сложно-пересеченной или гористой местности с возможностью движения по нему модулей преобразования энергии ветра;
- направляющее полотно может быть выполнено замкнутым;
- кроме того, направляющее полотно может быть выполнено в виде рельсового пути;
- в последнем случае направляющее полотно предпочтительно выполнено в виде монорельса;
- направляющее полотно может включать прямолинейные и криволинейные участки, и по меньшей мере один прямолинейный и/или криволинейный участок замкнутого направляющего полотна может состоять по меньшей мере из двух горизонтально расположенных направляющих, или из двух вертикально расположенных направляющих, или из двух наклонно расположенных к горизонту направляющих;
- при этом возможность перемещения по направляющему полотну может быть выполнена посредством магнитного взаимодействия модулей преобразования энергии ветра с направляющим полотном;
- система предпочтительно содержит как минимум два близкорасположенных участка направляющего полотна с разнонаправленными движениями модулей преобразования энергии ветра, таким образом, что каждый следующий ряд модулей преобразования энергии по направлению движения ветра, имеет возможность эффективного использования скошенного потока за предыдущим рядом;
- в одном частном случае контактная направляющая может быть выполнена в виде бесконечной зубчатой рейки из магнитомягкой стали, с обмотками на зубцах, взаимодействующей посредством электромагнитных сил по меньшей мере с одной короткой рейкой, содержащейся в модулях преобразования энергии ветра, с образованием единого устройства в виде линейного генератора, с возможностью генерирования электрического тока при их взаимодействии;
- в другом частном случае контактная направляющая может быть выполнена в виде зубчатой рейки, взаимодействующей при движении модуля посредством механических сил по меньшей мере с одним зубчатым колесом, содержащимся в модулях преобразования энергии ветра и выполненного с возможностью обкатывать зубчатую рейку, при этом каждый модуль преобразования энергии ветра содержит роторный генератор, механически связанный с зубчатым колесом;
- устройство управления и согласования движением модулей использует параметры вырабатываемой электроэнергии каждого модуля как информационный сигнал;
- при этом параметрами вырабатываемой электроэнергии каждого модуля являются сила тока, напряжение, частота или фаза;
- по меньшей мере один модуль преобразования энергии ветра может содержать оборудование для диагностики направляющего полотна;
- по меньшей мере один модуль преобразования энергии ветра может содержать снегоуборочное оборудование для очистки направляющего полотна и контактной направляющей.
Частные случаи реализации заявленного технического решения не ограничиваются вышеуказанными вариантами.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 изображена общая схема системы преобразования энергии ветра совместно с модулями преобразования энергии ветра (а - базовый вариант рельсовой установки, 6 - вариант рельсовой установки с возможностью добавления модулей, в - вариант установки при работе с боковым ветром);
на фиг. 2 изображен вариант исполнения системы преобразования энергии ветра, где участок направляющего полотно установлен на поддерживающей конструкции в виде эстакады, при этом модули преобразования энергии ветра ориентированы вертикально;
на фиг. 3 изображен вариант исполнения системы преобразования энергии ветра, где контактная направляющая выполнена в виде бесконечной зубчатой рейкой из магнитомягкой стали, взаимодействующей посредством электромагнитных сил по меньшей мере с одной короткой рейкой, с обмотками на зубцах, содержащейся в модулях преобразования энергии ветра, представляя по существу единое устройство в виде линейного генератора, с возможностью генерирования электрического тока при их взаимодействии;
на фиг. 4 изображен вариант исполнения системы преобразования энергии ветра, где контактная направляющая выполнена в виде зубчатой рейки, взаимодействующей при движении модуля посредством механических сил по меньшей мере с одним зубчатым колесом, содержащимся в модулях преобразования энергии ветра и выполненного с возможностью обкатывать зубчатую рейку, при этом модули преобразования энергии ветра содержат роторный генератор, механически связанный с зубчатым колесом;
на фиг. 5 изображен вариант исполнения системы преобразования энергии ветра, где направляющее полотно выполнено в виде монорельса;
на фиг. 6 изображен вариант исполнения системы преобразования энергии ветра, где возможность перемещения по направляющему полотну выполнена посредством магнитного взаимодействия модулей преобразования энергии ветра с направляющим полотном.
Ниже приведены теоретические основы осуществления заявленной системы на примере использования крыльев в качестве приемников ветровой энергии.
Возможно осуществление системы при ориентации прямолинейного участка движения крыльев поперек воздушного потока.
Аэродинамический расчет системы показывает, что с увеличением скорости крыльев поперек потока, снимаемая с одного квадратного метра мощность растет вплоть до высоких скоростей (от 15 до 200 м/с в зависимости от аэродинамического качества крыла).
Зависимость примерно линейная.
При этом степень нагруженности конструкции крыльев тоже растет.
Основной критерий влияния в данном случае - быстроходность (отношение скорости движения крыла поперек потока к скорости ветра).
При быстроходности меньше 2 аэродинамическое качество крыла играет небольшую роль, большую роль играет несущая способность профиля крыла, при быстроходности больше 2 аэродинамическое качество становится важным, при величине больше 5 - критически важным. При этом чем меньше быстроходность крыла, тем больше скос потока.
В проектируемой установке скорость движения крыла должна быть ограничена по одному из следующих критериев:
10…15 м/с - по соображениям безопасности, экологичности среды обитания, психологического комфорта;
60 м/с - по аэродинамическому шуму;
5…30 м/с - по центробежным перегрузкам при прохождении поворота.
Практически, при организации управления установкой, следует стремиться к наибольшей скорости движения крыла с учетом указанных ограничений.
Способность крыла создавать аэродинамические силы зависит от угла установки крыла относительно местного воздушного потока. Местный (в районе крыла) воздушный поток отличается от естественного потока ветра на векторные величины скорости крыла, торможения и скоса потока ветрогенератором.
Параметры, по которым происходит регулирование:
Входные:
- скорость вымпельного ветра;
- направление вымпельного ветра;
- скорость истинного ветра;
- направление истинного ветра;
- скорость модуля;
- расстояние до ближайших модулей;
- проход модулем точки разворота движения;
- суммарная площадь работающих крыльев.
Управляемые параметры:
- угол установки крыла относительно вымпельного ветра;
- угол установки закрылка относительно основного профиля крыла (при использовании крыла с закрылком);
- число работающих модулей;
- площадь крыла;
- суммарная площадь работающих крыльев;
- скорость движения модуля.
Параметры и способы регулирования:
Угол установки крыла относительно вымпельного ветра устанавливается с помощью сервопривода поворота крыла, либо с помощью управляемой сервоприводом вспомогательной аэродинамической поверхности (стабилизатора). Вымпельный ветер - это ветер, воспринимаемый непосредственно движущимся крылом, результат сложения всех векторов скоростей, возникающих при работе ветрогенератора, с вектором истинного ветра.
Задача регулирования - выдерживать постоянный оптимальный угол установки крыла относительно меняющегося вымпельного ветра, при достижении предельной для крыла аэродинамической силы при усилении ветра плавно уменьшать угол установки по алгоритму (например, 1° на 1 м/с ветра). При повороте модуля из наветренного ряда в подветренный ряд сервопривод разворачивает угол установки крыла на противоположный для разворота вектора тяги крыла. Исходные данные предоставляют датчик направления, датчик скорости ветра, и датчик прохождения точки разворота. В случае использования сервостабилизатора, он является датчиком направления ветра, и аэродинамическим усилителем одновременно.
Угол установки закрылка относительно основного профиля крыла (при использовании крыла с закрылком) устанавливается с помощью сервопривода поворота закрылка либо с помощью управляемой сервоприводом вспомогательной аэродинамической поверхности (стабилизатора).
Задача регулирования - выдерживать постоянный оптимальный угол установки закрылка относительно основного профиля крыла, при достижении предельной для крыла аэродинамической силы при усилении ветра, плавно уменьшать угол установки по алгоритму (например, 3° на 1 м/с ветра). При повороте модуля из наветренного ряда в подветренный ряд сервопривод разворачивает угол установки закрылка на противоположный для разворота вектора тяги крыла. Исходные данные предоставляют датчик направления, датчик скорости ветра, датчик прохождения точки поворота. В случае использования сервостабилизатора он является датчиком направления ветра и аэродинамическим усилителем одновременно и выполняет две функции - управление углом установки закрылка и управление углом установки крыла в целом.
Число работающих модулей устанавливается системой в зависимости от конкретных ветровых условий для достижения оптимальной величины двух параметров - суммарной площади работающих крыльев и суммарной мощности работающих электрогенераторов. Чем больше скорость ветра, тем большая требуется площадь крыльев и установленная мощность генераторов для оптимального преобразования мощности ветра.
Площадь крыла устанавливается системой в зависимости от конкретных ветровых условий для достижения оптимальной величины суммарной площади работающих крыльев в случае, если в системе не используется изменение числа работающих модулей, а электрогенераторы имеют запас мощности.
Суммарная площадь работающих крыльев. В зависимости от отношения суммарной площади работающих крыльев к общей площади ветрового окна, используемого ветрогенератором, точка максимального КИЭВ соответствует определенной быстроходности (отношение скорости движения крыла вдоль полотна к скорости истинного ветра). Чем меньше относительная площадь крыльев, тем выше оптимальная быстроходность. При увеличении скорости ветра для сохранения оптимального КИЭВ абсолютная скорость перемещения модулей с крыльями должна расти.
Но реально допустимая скорость ограничена следующими факторами:
- аэродинамический шум и инфразвук, излучаемый установкой;
- механический шум движущихся частей;
- безопасность для птиц;
- безопасный разлет обломков при разрушении конструкции;
- динамические нагрузки при прохождении модулем поворота.
С точки зрения безопасности эксплуатации и экологичности абсолютная скорость движения крыльев должна быть небольшой. Но у ветрогенераторов с небольшой скоростью при увеличении скорости ветра КИЭВ снижается ввиду снижения быстроходности. Для сохранения КИЭВ ветрогенератора на постоянно высоком уровне при увеличении скорости ветра суммарную площадь работающих крыльев нужно увеличивать. Система управления, используя данные датчиков скорости истинного или вымпельного ветра, изменяет суммарную площадь работающих крыльев путем добавления работающих модулей на полотно или путем вывода лишних модулей с полотна, в соответствии с заданным алгоритмом.
Скорость движения модуля регулируется с помощью изменения тормозящего усилия генератора. Тормозящий момент генератора изменяется с помощью электронного управления генератором от полного торможения до отрицательной величины, т.е. до перехода в моторный режим. Генератор обеспечивает торможение, преобразуя механическую мощность движения в электрическую мощность. При полном торможении механическая мощность равна нулю из-за отсутствия скорости. При нулевом торможении скорость максимальна, но механическая мощность также равна нулю из-за отсутствия усилия. Между этими двумя крайностями для каждых ветровых условий существует точка оптимальности, в которой механическая мощность и электрическая мощность максимальны. Система управления генератором изменяет отбираемую генератором мощность и, следовательно, создаваемый генератором тормозящий момент с помощью электронного регулирования подаваемых на катушки генератора и снимаемых с катушек импульсов тока. В простейшем случае катушки генератора работают непосредственно на сеть переменного тока, при этом автоматически обеспечивается синхронизация скорости перемещения модулей с частотой сети переменного тока.
Задачи регулирования:
- обеспечить максимально возможный коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) установкой в целом. Для каждой суммарной площади крыльев существует оптимальная быстроходность (отношение скорости движения крыла вдоль полотна к скорости истинного ветра), при которой КИЭВ ветрогенератора максимален. Система управления скоростью получает данные с датчиков скорости и направления истинного или вымпельного ветра, данные с датчиков скорости движения модуля, данные о положении других модулей, регулирует тормозящий момент генератора, стремясь постоянно поддерживать оптимальную быстроходность, с учетом следующих ограничений: максимально допустимая скорость на данном участке полотна, равномерность распределения модулей по полотну, предотвращение столкновения модулей, необходимость поддерживать заданную частоту вырабатываемого переменного тока, необходимость учитывать скорость, на которой электрический КПД генератора максимален;
- обеспечить возможность страгивания модулей при старте. Большинство генераторов имеют значительное усилие страгивания, которое не позволяет ветрогенератору стартовать при слабом ветре. Вентильно-индукторная технология позволяет системе управления, получающей данные от датчика скорости модуля, свести к минимуму усилие страгивания для облегчения старта;
- обеспечить аварийную остановку модулей. При превышении скорости ветра границы безопасной работы, управляющая система, получающая данные от датчиков скорости истинного или вымпельного ветра, выполняет полное торможение генераторов всех модулей;
- обеспечить выполнение транспортных операций: ввод модулей на полотно, вывод модулей с полотна, транспортировка модулей в депо.
Ниже приведены принципы аэродинамического расчета ветрогенераторной установки.
Аэродинамический расчет проводят для установки, содержащей 2 ряда разнонаправлено движущихся крыльев.
Для аэродинамического расчета установки строят треугольники скоростей для истинных скоростей ветра 4, 6, 8, 12 м/с, и для скоростей движения крыльев поперек потока от 1 до 15 м/с с шагом 1 м. В треугольниках скоростей учитывают следующие вектора скорости:
- истинный ветер;
- скорость крыла поперек направления ветра;
- торможение потока;
- скос потока.
Для каждого сочетания скорости ветра и движения крыла определяют скорость и направление вымпельного ветра для каждого из двух рядов, и направление результирующей аэродинамической силы. По полученным данным рассчитывают необходимую для заданного ветрового окна площадь крыльев для каждого сочетания скоростей с использованием следующих параметров:
- плотность воздуха в районе предполагаемой установки ветрогенератора;
- оптимальный коэффициент подъемной силы выбранного профиля;
- аэродинамическое качество, соответствующее выбранной конфигурации крыльев;
- выбранный размер ветрового окна.
Система преобразования энергии ветра содержит направляющее полотно 1 с контактной направляющей, модули 9 преобразования энергии ветра с приемниками 10 ветровой энергии, а также устройство управления и согласования движением модулей (не показано).
Направляющее полотно 1 состоит из прямолинейных и криволинейных участков. Участки механически связаны между собой. Направляющее полотно 1 может быть установлено на поддерживающей конструкции в виде эстакады или выполнено замкнутой криволинейной формы на сложно-пересеченной или гористой местности (фиг. 2). Само направляющее полотно 1 может быть выполнено в виде монорельса или рельсового пути. При этом участки направляющего полотна 1 могут состоять из двух горизонтально расположенных направляющих или двух вертикально расположенных направляющих или двух наклонно расположенных к горизонту направляющих. Модули 9 преобразования энергии ветра содержат приемники 10 ветровой энергии и имеют возможность ориентации относительно ветра. Модули 9 перемещаются с помощью колес 2 по направляющему полотну 1 за счет энергии ветра. При этом тип перемещения модулей 9 по направляющему полотну 1 может быть реализован в виде, например, магнитного подвеса (фиг. 6). При этом траектория движения модулей 9 жестко связана с контактной направляющей и самим направляющим полотном 1.
Контактная направляющая может быть выполнена в виде бесконечной зубчатой рейки 3 из магнитомягкой стали. При этом зубчатая рейка 3 взаимодействует посредством электромагнитных сил с короткой рейкой 4 с обмотками 5 на зубцах, которая содержится в модулях 9 преобразования энергии ветра, представляя по существу единое устройство в виде линейного генератора 6, с возможностью генерирования электрического тока при их взаимодействии и отдачи его в сеть по кабелям 7 через контактное устройство 8 (фиг. 3). Также контактная направляющая может быть выполнена в виде зубчатой рейки 13, взаимодействующей при движении модуля 9 посредством механических сил по меньшей мере с одним зубчатым колесом 14, содержащимся в модулях 9 преобразования энергии ветра и выполненного с возможностью обкатывать зубчатую рейку 14, при этом модули 9 преобразования энергии ветра содержат роторный генератор 6, механически связанный с зубчатым колесом 14 (фиг. 4).
Сами модули 9 преобразования энергии ветра не связаны механически друг с другом. Устройство управления и согласования движением модулей выполнено с возможностью изменения числа работающих модулей 9 путем ввода дополнительных модулей 9 на направляющее полотно 1 (например, на рельсовый путь) или вывода модулей 9 с направляющего полотна 1, в зависимости от ветровых условий текущего момента времени. Устройство управления и согласования движением модулей 9 выполнено с возможностью непрерывного изменения скорости движения каждого модуля 9 и ориентации каждого приемника 10 ветровой энергии относительно ветра в зависимости от ветровых условий текущего момента времени. При этом устройство управления и согласования движением модулей может использовать параметры, например, такие как сила тока, напряжение, частота или фаза, вырабатываемой электроэнергии каждого модуля 9 как информационный сигнал. Система может включать специальные модули, содержащие диагностическое оборудование для диагностики направляющего полотна, контактной направляющей или снегоочистительное оборудование для очистки направляющего полотна и контактной направляющей.
Система работает следующим образом.
При обдуве ветром приемников 10 ветровой энергии, закрепленных на модулях 9, возникает аэродинамическая сила. Эта сила перемещает модуль 9 по направляющему полотну 1, при этом приемник 10 ветровой энергии постоянно ориентируется по отношению к направлению ветра для создания наилучшей тяги на каждом участке направляющего полотна 1 в зависимости от направления ветра. Устройство генерации электроэнергии, установленное на модуле 9, взаимодействует с контактной направляющей, которая в свою очередь жестко связана с направляющим полотном 1. В результате совершения работы силой, возникшей при взаимодействии приемника 10 ветровой энергии с ветром - устройство генерации вырабатывает электрический ток, который в свою очередь отдается в сеть, проложенную вдоль направляющего полотна 1. При этом в зависимости от параметров вырабатываемого электричества управляющая система производит непрерывное регулирование скорости самого модуля 9, поскольку устройство генерации является, по сути, тормозом для перемещения модуля 9 под действием силы ветра. Также управляющая система производит изменение количества модулей 9, выведенных в конкретный момент времени. При этом, например, для диагностики или технического обслуживания модуля 9, его загоняют в депо без остановки всей системы и всех выведенных в данный момент времени модулей 9. Для этого, предварительно, учтя текущее положение требуемого модуля 9, переключают участок полотна 1 с движения по замкнутому пути на участок, следующий в депо. При этом если ветровой энергии в данный момент или на данном участке не хватает для такого маневра, то устройство генерации электроэнергии переводится в режим по существу электродвигателя, уже потребляющего электроэнергию из сети. Аналогичным образом выводятся на направляющее полотно 1 модули 9, в том числе модули 9 специального назначения, например, диагностические или снегоуборочные. Следует отметить, что вышеописанная работа системы в общем случае не зависит от того как именно выполнено направляющее полотно 1, устройство генерации электроэнергии, тип подвеса модуля 9 на направляющем полотне 1 в частных своих случаях.
Заявленная система, кроме отсутствия вышеуказанных недостатков известных из уровня техники технических решений, также обладает рядом преимуществ перед ними, в том числе перед аналогами:
- система позволяет увеличить среднегодовой сбор ветровой энергии за счет поддержания оптимальных параметров, в широком диапазоне ветров, с помощью изменения параметров установки - количества крыльев, скорости движения крыльев, углов установки крыльев, аэродинамического профиля крыла, площади каждого крыла отдельно, количества работающих генераторов, без изменения оборудования и программного обеспечения;
- система может работать в оптимальном режиме при небольшой быстроходности крыльев, что исключает генерацию инфразвука, причинение вреда животным и людям, позволяет разместить установку недалеко от потребителей;
- система построена на основе модульной структуры, где модули являются серийными изделиями небольшого размера, что снижает их стоимость, упрощает обслуживание и ремонт; упрощает доставку к месту монтажа и монтаж;
- приемники ветровой энергии системы - крылья слабо нагружены центробежными силами, что позволяет применить недорогие долговечные конструкционные материалы, сталь и стеклопластик;
- система позволяет гибко использовать земельные ресурсы местности за счет применения любой геометрии и длины пути;
- система позволяет легко наращивать мощность за счет увеличения длины пути, и увеличения количества рабочих модулей;
- система работает при любом направлении ветра без необходимости ориентации всей установки на ветер;
- выход из строя части модулей не приводит к остановке работы установки, возможно выполнение сервисных и ремонтных работ с модулями без остановки работы всей системы;
- система может быть построена на основе применения уже освоенных в производстве прототипов - железнодорожный транспорт и аттракционы типа «Американские горки».
Claims (20)
1. Система преобразования энергии ветра в электрическую энергию, содержащая направляющее полотно, модули преобразования энергии ветра, включающие приемники ветровой энергии, выполненные с возможностью перемещения по направляющему полотну за счет энергии ветра, и устройство управления и согласования движением модулей преобразования энергии ветра, при этом направляющее полотно связано с контактной направляющей, взаимодействующей с модулями преобразования энергии ветра с обеспечением генерирования электрического тока при движении модулей преобразования энергии, отличающаяся тем, что устройство управления и согласования движением модулей выполнено с возможностью изменения числа работающих модулей путем ввода дополнительных модулей на направляющее полотно или вывода модулей с направляющего полотна в зависимости от ветровых условий текущего момента времени.
2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство управления и согласования движением модулей выполнено с возможностью непрерывного изменения скорости движения каждого модуля в зависимости от ветровых условий текущего момента времени.
3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство управления и согласования движением модулей выполнено с возможностью непрерывного изменения ориентации каждого приемника ветровой энергии относительно ветра в зависимости от ветровых условий текущего момента времени.
4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство управления и согласования движением модулей выполнено с возможностью непрерывного изменения аэродинамического профиля и/или площади крыла каждого модуля в зависимости от ветровых условий текущего момента времени.
5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что направляющее полотно установлено на поддерживающей конструкции в виде эстакады.
6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что направляющее полотно выполнено криволинейной формы на сложно-пересеченной или гористой местности с возможностью движения по нему модулей преобразования энергии ветра.
7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что направляющее полотно выполнено замкнутым.
8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что направляющее полотно выполнено в виде рельсового пути.
9. Система по п. 8, отличающаяся тем, что направляющее полотно выполнено в виде монорельса.
10. Система по п. 8, отличающаяся тем, что направляющее полотно включает прямолинейные и криволинейные участки, при этом по меньшей мере один прямолинейный и/или криволинейный участок направляющего полотна состоит по меньшей мере из двух горизонтально расположенных направляющих.
11. Система по п. 8, отличающаяся тем, что направляющее полотно включает прямолинейные и криволинейные участки, при этом по меньшей мере один прямолинейный и/или криволинейный участок направляющего полотна состоит по меньшей мере из двух вертикально расположенных направляющих.
12. Система по п. 8, отличающаяся тем, что направляющее полотно включает прямолинейные и криволинейные участки, при этом по меньшей мере один прямолинейный и/или криволинейный участок направляющего полотна состоит по меньшей мере из двух наклонно расположенных к горизонту направляющих.
13. Система по п. 1, отличающаяся тем, что возможность перемещения по направляющему полотну выполнена посредством магнитного взаимодействия модулей преобразования энергии ветра с направляющим полотном.
14. Система по п. 1, отличающаяся тем, что система содержит как минимум два близкорасположенных участка направляющего полотна с разнонаправленными движениями модулей преобразования энергии ветра таким образом, что каждый следующий ряд модулей преобразования энергии по направлению движения ветра имеет возможность эффективного использования скошенного потока за предыдущим рядом.
15. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контактная направляющая выполнена в виде бесконечной зубчатой рейки из магнитомягкой стали с обмотками на зубцах, взаимодействующей посредством электромагнитных сил по меньшей мере с одной короткой рейкой, содержащейся в модулях преобразования энергии ветра, с образованием единого устройства в виде линейного генератора с возможностью генерирования электрического тока при их взаимодействии.
16. Система по п. 1, отличающаяся тем, что контактная направляющая выполнена в виде зубчатой рейки, взаимодействующей при движении модуля посредством механических сил по меньшей мере с одним зубчатым колесом, содержащимся в модулях преобразования энергии ветра и выполненного с возможностью обкатывать зубчатую рейку, при этом каждый модуль преобразования энергии ветра содержит роторный генератор, механически связанный с зубчатым колесом.
17. Система по п. 1, отличающаяся тем, что устройство управления и согласования движением модулей использует параметры вырабатываемой электроэнергии каждого модуля как информационный сигнал.
18. Система по п. 17, отличающаяся тем, что параметрами вырабатываемой электроэнергии каждого модуля являются сила тока, напряжение, частота или фаза.
19. Система по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один модуль преобразования энергии ветра содержит оборудование для диагностики направляющего полотна.
20. Система по п. 1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один модуль преобразования энергии ветра содержит снегоуборочное оборудование для очистки направляющего полотна и контактной направляющей.
Priority Applications (13)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017117570A RU2665835C1 (ru) | 2017-05-22 | 2017-05-22 | Система преобразования энергии ветра |
| JP2019558773A JP2020528507A (ja) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | 風力エネルギーを変換するための方法及びシステム |
| MA049400A MA49400A (fr) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | Procédé et système de conversion d'énergie du vent |
| CA3063352A CA3063352A1 (en) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | Method and system for converting wind energy |
| PCT/RU2018/000320 WO2018217128A1 (ru) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | Способ и система преобразования энергии ветра |
| EP18805162.7A EP3640472A4 (en) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | WIND ENERGY CONVERSION PROCESS AND SYSTEM |
| CN201880034251.8A CN110678647B (zh) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | 转换风能的方法和系统 |
| MX2019014035A MX2019014035A (es) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | Metodo y sistema para transformar la energia eolica. |
| BR112019024610-0A BR112019024610A2 (pt) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | Método e sistema para a conversão de energia eólica. |
| AU2018273472A AU2018273472A1 (en) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | Method and system for converting wind energy |
| KR1020197037479A KR20200008604A (ko) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | 풍력 에너지를 전환하기 위한 방법 및 시스템 |
| US16/496,599 US11415102B2 (en) | 2017-05-22 | 2018-05-22 | Method and system for converting wind energy |
| ZA2019/08481A ZA201908481B (en) | 2017-05-22 | 2019-12-19 | Method and system for converting wind energy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017117570A RU2665835C1 (ru) | 2017-05-22 | 2017-05-22 | Система преобразования энергии ветра |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2665835C1 true RU2665835C1 (ru) | 2018-09-04 |
Family
ID=63459933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017117570A RU2665835C1 (ru) | 2017-05-22 | 2017-05-22 | Система преобразования энергии ветра |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2665835C1 (ru) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1781451A1 (ru) * | 1989-04-14 | 1992-12-15 | Vitalij G Eleskin | Ветростанция в.г.елескина |
| RU2166664C1 (ru) * | 2000-06-19 | 2001-05-10 | Ленев Николай Иванович | Двигатель для утилизации энергии текущей среды |
| RU2231684C1 (ru) * | 2002-10-07 | 2004-06-27 | Пак Калиф Енфавич | Ветродвигатель пака калифа |
| UA15761U (en) * | 2006-01-19 | 2006-07-17 | Yakiv Artemovych Zolotko | Wind-power electric power plant |
| RU2451826C2 (ru) * | 2007-03-30 | 2012-05-27 | Кайт Джен Ресерч С.Р.Л. | Ветровая система для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, и способ производства электрической энергии |
| RU2562345C1 (ru) * | 2014-03-24 | 2015-09-10 | Вячеслав Антонович Якимчук | Ветроэнергетическая установка и способ производства с помощью нее электрической энергии |
| WO2016154757A1 (en) * | 2015-03-31 | 2016-10-06 | Farrant Harvard M | Closed loop multiple airfoil wind turbine |
| RU2615549C2 (ru) * | 2012-12-07 | 2017-04-05 | Кайт Джен Ресерч С.Р.Л. | Ветровая система для преобразования энергии посредством перемещения на рельсе модулей, буксируемых кайтами, и процесс для выработки электрической энергии посредством такой системы |
-
2017
- 2017-05-22 RU RU2017117570A patent/RU2665835C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1781451A1 (ru) * | 1989-04-14 | 1992-12-15 | Vitalij G Eleskin | Ветростанция в.г.елескина |
| RU2166664C1 (ru) * | 2000-06-19 | 2001-05-10 | Ленев Николай Иванович | Двигатель для утилизации энергии текущей среды |
| RU2231684C1 (ru) * | 2002-10-07 | 2004-06-27 | Пак Калиф Енфавич | Ветродвигатель пака калифа |
| UA15761U (en) * | 2006-01-19 | 2006-07-17 | Yakiv Artemovych Zolotko | Wind-power electric power plant |
| RU2451826C2 (ru) * | 2007-03-30 | 2012-05-27 | Кайт Джен Ресерч С.Р.Л. | Ветровая система для преобразования энергии за счет поступательного перемещения по направляющей модулей, буксируемых воздушными змеями, и способ производства электрической энергии |
| RU2615549C2 (ru) * | 2012-12-07 | 2017-04-05 | Кайт Джен Ресерч С.Р.Л. | Ветровая система для преобразования энергии посредством перемещения на рельсе модулей, буксируемых кайтами, и процесс для выработки электрической энергии посредством такой системы |
| RU2562345C1 (ru) * | 2014-03-24 | 2015-09-10 | Вячеслав Антонович Якимчук | Ветроэнергетическая установка и способ производства с помощью нее электрической энергии |
| WO2016154757A1 (en) * | 2015-03-31 | 2016-10-06 | Farrant Harvard M | Closed loop multiple airfoil wind turbine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2665847C1 (ru) | Модуль преобразования энергии ветра | |
| US9869299B2 (en) | Wind energy system and method for using same | |
| EP2844867B1 (en) | Wind energy system and method for using same | |
| EP0022635B1 (en) | Fluid powered tracked vehicle for generating electricity | |
| US7582981B1 (en) | Airborne wind turbine electricity generating system | |
| RU2468250C2 (ru) | Инфраструктура для привода и ускоренного взлета аэродинамических поверхностей для тропосферного эолового генератора | |
| US20090324383A1 (en) | Wind compressor | |
| KR102306646B1 (ko) | 유체 유동으로부터 전력을 추출하기 위한 장치 | |
| RU2615549C2 (ru) | Ветровая система для преобразования энергии посредством перемещения на рельсе модулей, буксируемых кайтами, и процесс для выработки электрической энергии посредством такой системы | |
| US20180156195A1 (en) | Wind and water power generation system with multi-stage linear generators | |
| CN108825436A (zh) | 具有蓄存重力势能功能的风机发电系统及其控制方法 | |
| ITTO20110251A1 (it) | Sistema di conversione di energia eolica in energia elettrica attraverso il volo di profili alari di potenza vincolati a terra da cavi di lunghezza fissa, privo di fasi passive e adattante in modo automatico alle condizioni del vento | |
| US9581135B2 (en) | Cable-suspended wind energy generator | |
| RU2483226C2 (ru) | Способ и система для преобразования содержащейся в горизонтальных потоках энергии движения в полезную механическую энергию | |
| RU2665835C1 (ru) | Система преобразования энергии ветра | |
| RU2665768C1 (ru) | Способ преобразования энергии ветра | |
| US11415102B2 (en) | Method and system for converting wind energy | |
| US20170175707A1 (en) | Wind driven electricity generator having a tower with no nacelle or blades | |
| DE112012006563T5 (de) | Magnetgelagerte Vertikalachswindturbine für große Höhen (HAM-VAWT) | |
| KR20170128277A (ko) | 유체 유동으로부터 전력을 추출하기 위한 장치 | |
| WO2020214101A1 (en) | Wind cable car | |
| Rezaey et al. | A novel concept for high altitude wind energy generation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200523 |