RU730U1 - Ветроэнергетическая аккумулирующая установка - Google Patents

Abstract

1. Ветроэнергетическая аккумулирующая установка, содержащая ветродвигатель, кинематически связанный с валом ветродвигателя компрессор, ресивер для накопления запаса сжатого воздуха, преобразователь энергии сжатого воздуха в кинетическую энергию и подключенный к выходному валу этого преобразователя электрогенератор, отличающаяся тем, что ресивер включен последовательно между указанными компрессором и преобразователем, а преобразователь выполнен в виде эрлифтного двигателя, имеющего резервуар, частично заполненный жидкостью, рабочий орган с ковшами, погруженный в жидкость, по меньшей мере одно сопло для подачи воздуха из ресивера под опрокинутые ковши и выхлопной патрубок, сообщающийся с воздушным пространством резервуара.2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что рабочий орган эрлифтного двигателя выполнен в виде цепи, к которой шарнирно подвешены ковши и которая охватывает ведущую, расположенную в придонной части резервуара, и ведомую, расположенную вблизи воздушного пространства резервуара звездочки, а электрогенератор кинематически связан с ведомой звездочкой эрлифтного двигателя.3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что рабочий орган эрлифтного двигателя выполнен в виде ротора, имеющего по меньшей мере два последовательно закрепленных на общем валу колеса с ковшами на периферии, резервуар разделен на секции, число которых равно числу колес, причем только первая секция резервуара подключена к ресиверу, каждая последующая секция резервуара к предыдущей секции через воздушный колпак, воздухопровод и, по меньшей мере, одно сопло, а с выхлопным патрубком сообщается воздушное пространство только

Description

1 J 5 53Vj&2 / - /3 /IfЭ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ АККУМУЛИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА Изобретение относится к конструкции ветроэнергетических аккумулирующих установок, которые могут быть использованы для энергоснабжения рассредоточенных потребителей электроэнергии с малыми ( от нескольких кВт до нескольких десятков кВт) установленными мощностями. Одной из основных в ветроэнергетике является проблема стаби г. лизации выходной мощности электрогенераторов и, соответственно, надежности энергоснабжения в условиях нестабильности ветровой нагрузки на ветроколёса. Основной путь решения этой проблемы - включение аккумуляторов в состав ветроэнергетических установок. Однако выбор типов аккумуляторов и порядка их включения не поддается жесткой логической систематизации, в связи с чем создатели ветроэнергетических установок ставят и решают существенно разные задачи. Например, для микроветроэнергетических установок, которыми оснащают преимущественно личные автомобили и которые используют как правило на стоянках для энергообеспечения маломощных (порядка десятков ватт) источников света и бытовых приборов и устройств в качестве аккумулятора можно использовать собственные а,ккумуляторные батареии автомобиля (см. патент Франции № 2633982, М.) 9/00; йи4аУ%00 /В/360Д9Д)4| I990 г,). Очевидно, что электрохимические аккумуляторы могут быть использованы и для оснащения стационарных установок. Однако такие аккумуляторы практически не пригодны для демпфирования порывов ветра, а их блоки оказываются тем более громоздкими, M.o,fr03P 9/00 F 03D 9/02

дорогими и неудобными в автономной эксплуатации, чем больше выходная мощность ветроэнергетических установок.

Поэтому для оснащения стационарных ветроэнергетических устано вок чаще применяют более простые и надежные аккумулятора, встроенные между ветроколесом и электрогенератором как демпферы порыВОВ ветра и накопители запаса энергии на периоды падения ветровой нагрузки.

Из числа таких установок наиболее простыми по конструкции оказываются те, которые снабжены инерционными аккумуляторами (маховиками), как это, например, известно из описания изобретения к а.с. СССР № 1366688 (М.кл.РОЗ) 9/02,4йг.1985 г.). Маховик в такой ветроэнергетйчееквй установке подключен к ветроколесу через обгонную муфту, асинхронный электрогенератор, промежуточную обра шуг асинхронную электромашину и управляемую электромагнитаую муфту скольжения, чем обеспечивается защита всей системы от чрезмерных крутящих моментов, возникающих при шквальных порывах ветра.

Однако при такой конструкции демпфирование шквальных нагрузок становится неэкономичным. Во-первых, потому, что велики суммарные затраты на оборудование ветроэнергетической установки дополнительной асинхронной электрической машиной и муфтами; вовторых, потому, что устойчивость системы при шквальных и штормовых нагрузках покупается потерей энергии на холостой ход обратимой электромашины..

Поэтому более эффективными следует.признать ветроэнергетические установки с пневмоаккумуляторами... Изих числа к предлагаемой наиболее близка по технической сущности и достигаемому эффекту ветроэнергетическая аккумулирующая установка по а.с. СССР №1229417 С М. кл .ГОЗ 9/02,л..) имеющая ветродвигатель (ветроколесо), компрессор, промежуточный преобразователь энергии ежа0.

того воздуха в кинетичеокую энергию, выполненный в виде турбины, электрогенератор, кинематически связанный с выходным валом упомянутого преобразователя (турбины), и пневмоаккумулятор (ресивер), выполненный в виде двух сообщающихся резервуаров; первогогерметичного , частично заполненн®го водой и подключенного к соединительному трубопроводу между компрессором и турбиной, и второго - размещенного в водоносном слое грунта и связанного с этим грунтом дренажными трубками, а с первым резервуаром - переливной трубкой.

Такая конструкция ветроэнергетической установки в силу значительности объема ресивера весша устойчива к шквальным порывам ветра и может эффективно запасать их энергию. Однако подключение пневмоаккумулятора к боковому отводу от цепи передачи энергии от ветродвигателя к электрогенератору и использование высокоскоростного преобразователя энергии сжатого воздуха в кинетичес кую энергию, т.е, турбинц в составе известной ветроэнергетической установки снижают надежность ее работы и устойчивость электроснабжения потребителей при слабых ветровых нагрузках, поскольку для устойчивой работы турбин необходим существенный перепад давлений (порядка ОД и более МПа), Соответственно, пневмоаккумулятор может лишь сгладить пиковые ветровые нагрузки на ветродвигатель, но при указанных взаимосвязях не обеспечивает стабильность выходной мощности электрогенератора. Кроме. того, известно ветроэнергетическую установку, необходимым условием; работы которой служит сдвоенный ресивер.г затруднительно соединять в комплексы с другими такими же установками. Отмеченное затруднение- обусловлено значительными потерями давления сжатого воздуха на преодоление гидросопротивления водоносных грунтов.

- -Ж -

ЦИИ некоторых частей ветроэнергетической установки и взаимосвязей между ними создать такую ветроэнергетическую аккумулирующую установку, которая обеспечивала /бы стабилизацию выходной электрической мощности в широком диапазоне колебаний ветровых нагрузок и, при необходимости, допускала бы свободное соединение по меньшей мере с другой аналогичной установкой для наиболее полного срабатывания перепада давлений.

Поставленная задача решена, тем, что в ветроэнергетической аккумулирующей установке, имеющей ветродвигатель, кинематически связанней с валом ветродвигателя юмпретор, .ресивер для накопления запаса сжатого воздуха, преобразователь энергии сжатого воздуха в кинетическую энергию и подключенный к выходному валу этого преобразователя электрогенератор, согласно изобретению, ресивер включен последовательно между указанными компрессором и преобразователем, а преобразователь выполнен в виде эрнифтного двигателя, имеющего резервуар, частично заполненный жидкостью, рабочий орган с ковщами, погруженный в жидкость, по меньшей мере одно юпло для подачи воздуха из ресивера под опрокинутые ковши и выхлопной патрубок, сообщающийся с воздушным пространством резервуара.

При такой конструкции утилизация энергии ветра обеспечивается даже при длительных периодах слабого воздушного напора на ветродвигатель, поскольку питание напрямую через ресиверы тихо ходные эрлифты способны эффективно создавать значительные крутящие моменты на валах электрогенераторов, а описанная, установка в целом обеспечивает стабильную выходную мощность. Свободное же соединение по меньшей мере двух установок заявленного типа в систему обеспечивает более глубокую утилизацию энергии ветра, оеббенно при щквальнын нагрузках на одну из нескольких установок системы.

- - Первое дополнительное отличие состоит в том, что рабочий орган эрлифтного двигателя выполнен в виде цепи, к крторой шарнирно подвешены ковши и которая охватывает ведущую, расположенную в придонной части резервуара и ведомую, расположенную вблизи воздушного пространства резервуара звездочки, а электрогенератор кинематически связан с ведомой звездочкой эрлифтного двигателя.

Такая форма выполнения рабочего органа при передаточном отношении более единицы превращает эртифтный двигатель в мультипликатор, что позволяет в о.тдельных случаях напрямую подключать вал электрогенератора к валу ведомой звездочки, а в других случаях включить между ними минимальный по габаритам и массе дополнительный механический мультипликатор.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что 1вбочий орган эрлифтного двигателя выполнен в виде ротора, имеющего по меньшей мере два последовательно посаженных на общий вал колеса с закрепленными пс их периферии ковшами, резервуар разделен на секций, число которых равно числу колес, причем только первая секция резервуара подключена к ресиверу, каждая последующая секция резервуара - к предыдущей секции через воздушный колпак, воздухопровод и по меньшей мере одно сопло, а с выхлопным патрубком сообщается воздушное пространство только последней секции резервуара При такой форме выполнения рабочего органа эрлифтный двигатель способен развивать достаточныйдля запуска электрогенератора крутящий момент при минимальном избыточном давлении в ресивере.

Третье дополнительное отличие СОСТОЕРТ в том, что выхлопной патрубок снабжен трехпозиционным переключателем потока отработанного сжатого воздуха, при этом один иа- выходов этого переключателя открыт в атмосферу, второй выход через воздухопровод обратной связи и эжектор подключен на вход собстенного компресора

(S.

ветроэнергетической установки, ак третьему выходу присоеденен воздухопровод для подключения к другой ветроэнергетический аккумулирующей установке.

Тем самым создаются условия для наиболее полного срабатывания перепада давлений между ресивером и атмосферой. Действительно, при слабой ветровой нагрузке и работе ресивера на промежуточных значениях бочего давления упомянутый перепад давлений может оказаться достаточным лишь для устойчивой работы собственного эрлифтного двигателя с давлением на выходе из него, близком к аЕ мосферному, и при этом условии целесообразен выхлоп прямо в атмосферу. Если же ветровая нагрузка оказывается средней интенсивности и давление на выходе ия эрлифтного двигателя устойчиво больше атмосферного, то это избыточное давление на выхлопе утилизируется на подсос атмосферного воздуха в компрессор, что ускоряет подкачку ресивера до верхнего предела рабочего давления. И, наконец, если несколько заявляемых ветроэнергетических установок связаны в систему и на одну из них пришелся шквальный, порыв ветра, то часть его энергии может быть утилизирована на ней самой, а другая, меньшая часть « на другой установке.

Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием конструкции и работы предлагаемой ветроэнергетической аккумулирующей установки со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на:

фиг.1 - общий вид предлагаемой ветроэнергетической аккумулирующей установки U частичным разрезом по ресиверу и эрлифтному

двигателю;

.«.

фиг.2 «- схема эрлифтного двигателя с шарнирным рабочим органом; фиг.З -схема эрпифтного двигателя с роторным рабочим органом, Предлагаемая ветроэнергетическая аккумулирующая установка в общем случае имеет (см.фигЛ):

.

. составную опору I, имеющую вид башни с анкерными фиксаторами 2, которые вместе с бетонным фундаментом заглублены в грунт (форма выполнения таких фикваторов не имеет существенного значения для установки и может быть выбрана произвольно с учетом несущей способности грунта и доступности тех или иных материалов для изготовления фиксаторов);

ветродвигатель 3, имеющий произвольное в принципе конкретной конструкции ветроколесо с лопастями 4;

компрессор 5, кинематически связа1 с валом б ветродвигателя 3;

общую опору для ветродвигателя 3 и компрессора 5 в виде рамы 7;

флюгер 8, жестко связанный с рамой 7;

опору 9 качения в виде кольцевой беговой дорожки, между бортами которой расположены ролики рамы 7;

воздушный фильтр 10, подключенный к выходу компрессора 5 через показанный на фиг,2 обратный клапан П ( такой клапан необходим во всех случаях использования порпневых компрессоров);

редукционный предохранительный клапан 12;

ресивер (в частности, в виде пружинного воздушного аккумулятора) 13 который подключен к выходу воздущного фильтра 10 через упомянутый редукционный предохранительный клапан 12;

редуктор (дроссель) 14 для выравнивания давления на выходе в упомянутый далее эрлифтный двигатель (этот дроссель целесообразно выполнить регулируемым для .настройки на разные рабочие давления в зависимости от средней для определенного времени суток или определенного сезона величины ветровой нагрузки на ветродвигатель 3);

механический мультипликатор 16, подключенный к выходному валу эрлифтного двигателя 15;

электрогенератор 17 постоянного тока, установленный, в частности, на собственной опрре 18;

выхлопной патрубок 19, подключенный к воздушному пространству эрлифтного двигателя 15,

Эрлифтный двигатель 15 имеет резервуар 20, большая часть которого заполнена жидкостью ( обычно водой, но могут быть использованы сравнимые с нею по вязкости жидкости с большей плотностью, а также жидкие антифризы, что необходимо для эксплуатации ветроэнергетических установок в зимний период и т.д.), а вверху остается свободное воздушное пространство, сообщающееся с упомянутым (см. на стр.8) выхлопным патрубком 19, В резервуаре 20 размещен рабочий орган с ковшами 21. Этот рабочий орган может быть выполнен шарнирно-цепным (см.фиг,2), или роторным (см,фиг,3).

Цепь шарнирно -цепного рабочего органа состоит из упомянутых ковшей 21, соединенных шарнирами 22. Эта цепь охватывает две звездочки: ведущую 23, которая расположена в придонной части резервуара. 20, и ведомую 24, которая также расположена в жидкости, но уже в верхней части резервуара 20 вблизи воздушного пространства. Ведомая звездочка 24 обычно имеет диаметр меньше, чем у ведущей звездочки, что обеспечивает увеличение скорости вращения выходного вала эрлифтного двигателя 15 и позволяет уменьшить габариты и массу мультипликатора 16. Под ведущую звездочку 23 в зоне опрокидывания ковшей 21 подведено по меньшей мере одно сопло 25, подключенное к ресиверу 13.

;5вгорн4 /и

Рабочий орган эрлифтного двигателя представляет собой по-меньшей мере два последовательно размещенных на общем валу 26 колеса 27. на переферии которых жестко закреплены ковши 21. Резервуар 20 для такого рабочего органа секционирован по числу колес 27,

/

Обычно только первая секция такого резервуара подключена к ресиверу 13 соплами 25, а кавдая последующая секция, кроме последней, подключена к закрытому колпаком 28 воздушному пространству предыду щей оекрии воздухопроводом 29 и соплами 30, которые выведены под ковши 21 колес 27, Воздушный колпак 28 последней секции резервуара 20 подключен к выхлопному патрубку 19,

Для упрощения запуска эрлифтного двигателя 15 с роторным рабочим органом могут быть предусмотрены трехходовой кран 31, установленный на воздушной магистрали от редуктора 14, и воздухопроводы 32 для подключения сопел 30 во второй, третьей и т.д. секциях резервуара 20 к ресиверу 13.

Выхлопной патрубок 19 (см, вновь фиг.2) целесообразно оснащать трехпозиционный переключателем 33 потока отработанного воздуха Один из выходов такого переключателя 33 может быть открыт в атмосферу, что целесообразно при практически полном срабатывании перепада давлений между воздушным пространством резервуара 20 и атмосферой. Другой выход такого переключателя 33 может быть подключен на вход собственного компрессора 5 ветроэнергетической аккумулирующей установки через эжектор 34 и воздухопровод 35 обратной связи (такое использование остаточной энергии выхлопа целесообразно с точки зрения скорейшего вывода ресивера 13 на максимально допустимое рабочее давление). Третий же выход пере ключателя 33 может быть использован для подключения одной ветроэнергетической аккумулирующей установки к другой такой же установке. При этом возможны как подключение к компрессору, так и к линии питания эрлифтного двигателя этой установки.

Работает описанная ветроэнергетическая аккумулирующая установка следующим образом.

- 6передаетея на компрессор 5, Сжатый им воздух через обратный клапан II, фильтр 10 и редукционный предохранительный клапан 12 поступает в ресивер 13, Клапан 12 срабатывает при превышении максимально допустимого давления в ресивере 13, Далее сжатый воздух через регулируемый редуктор 14 поступает в сопло 25 в резервуар 20 эрлифтыого двигателя 15.

Всплывая в жидкости, пузырьки воздуха заполняют полости ковшей 21. В соответствии с законом Архимеда заполненные воздухом ковши 21 всплывают в жидкости, протягивая шарнирную цепь от ведущей 23 к ведомой 24 звездочке шарнирно-цепного или толкая колесо 27 роторного рабочего органа. Вращения ведомой звездочки 24 или вала 26 ротора через мультипликатор 16 передается на вал электрогенератора 17,

При изменении направления ветра флюгер 8 поворачивает раму

7на опоре 9 качения и вместе с рамой 7 - ветродвигатель 3 и компрессор 5 .

Специфической особенностью работы эрлифтного двигателя 15 с роторным рабочим органом (см,фиг.3) является перетекание сжатого воздуха из ОДНОЙ секции резервуара 20 в другую через воздушные колпаки 28, воздухопроводы 29 и сопла 30, Высоту столбов жидкости в секциях резервуара 20 регулируют в сторону уменьшения от первой секции к последней таким образом, чтобы срабатывание перепада давлений между выходом редуктора 14 и атмосферой происходило примерно на одну и ту же величину в каждой секции. На момент запуска эрлифтного двигателя с роторным рабочим органом все секции резерву ара 20 могут быть через трехходовой кран 31 и воздухопроводы 32 одновременно подключены к ресиверу 13, После страгивания ротора кран 31 переводят в нормальное положение.

Claims (4)

1. Ветроэнергетическая аккумулирующая установка, содержащая ветродвигатель, кинематически связанный с валом ветродвигателя компрессор, ресивер для накопления запаса сжатого воздуха, преобразователь энергии сжатого воздуха в кинетическую энергию и подключенный к выходному валу этого преобразователя электрогенератор, отличающаяся тем, что ресивер включен последовательно между указанными компрессором и преобразователем, а преобразователь выполнен в виде эрлифтного двигателя, имеющего резервуар, частично заполненный жидкостью, рабочий орган с ковшами, погруженный в жидкость, по меньшей мере одно сопло для подачи воздуха из ресивера под опрокинутые ковши и выхлопной патрубок, сообщающийся с воздушным пространством резервуара.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что рабочий орган эрлифтного двигателя выполнен в виде цепи, к которой шарнирно подвешены ковши и которая охватывает ведущую, расположенную в придонной части резервуара, и ведомую, расположенную вблизи воздушного пространства резервуара звездочки, а электрогенератор кинематически связан с ведомой звездочкой эрлифтного двигателя.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что рабочий орган эрлифтного двигателя выполнен в виде ротора, имеющего по меньшей мере два последовательно закрепленных на общем валу колеса с ковшами на периферии, резервуар разделен на секции, число которых равно числу колес, причем только первая секция резервуара подключена к ресиверу, каждая последующая секция резервуара к предыдущей секции через воздушный колпак, воздухопровод и, по меньшей мере, одно сопло, а с выхлопным патрубком сообщается воздушное пространство только последней секции резервуара.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что выхлопной патрубок снабжен трехпозиционным переключателем потока отработанного сжатого воздуха, при этом один из выходов этого переключателя открыт в атмосферу, второй через воздухопровод обратной связи и эжектор атмосферного воздуха подключен на выход собственного компрессора ветроэнергетической установки, а к третьему выходу присоединен воздухопровод для подключения к другой ветроэнергетической аккумулирующей установки.