SK7070Y1 - Hybridný veternoenergetický systém - Google Patents

Abstract

Opísaný systém využíva multirotorový kolektor (1) na ramene (4). Rotory (2) majú premenlivý sklon svojich osí rotácie a odovzdávajú energiu vetra generátorom tak priamo na osi, ako aj na zemi blízko koreňa stĺpa (12) účinkom vzdúvania vĺn. Hybridný veternoenergetický systém využíva okrem vodorovného prúdenia vzduchu tiež vertikálne termické prúdy a v prípade umiestnenia v mori tiež energiu vĺn. Sústava je ľahká a s nízkym momentovým zaťažením stĺpa (12), čím je vhodná najmä do ťažko prístupných miest, ako sú hlboké moria, hory, odľahlé lokality.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka hybridných vetemoenergetických systémov na súčasné využitie rôznych zdrojov energie v jednom zariadení.

Doterajší stav techniky

Na zachytávanie veľkých prierezov vetra sa v súčasnosti využívajú najčastejšie dvoj- a trojlistové veterné veľkopriemerové turbíny. Priemery 80 až 100 m zabezpečujú vysoký výkon jednotky, čo sa priaznivo prejavuje na výstupnom napätí a transportných parametroch výstupnej elektrickej energie, ako aj na špecifickom výkone na jednotku pôdorysnej plochy (na km²). Veterné farmy s osadenými veľkými jednotkami tak dosahujú cez 10 MW na km² plochy.

Nevýhodou týchto vyhotovení je vysoká hmotnosť základných komponentov, ako sú listy, stĺpy a základy. Veľké momentové zaťaženie výškou stĺpa a horizontálnou silou kladie vysoké nároky najmä pri systémoch určených do veterne výhodných lokalít, ako je hlboké more, hory, púšte.

Podstata technického riešenia

Nevýhody doterajšieho stavu znižuje technické riešenie, podstatou ktorého je multirotorový kolektor umiestnený na konci ramena v smere vetra s protiváhou na opačnom návetemom konci ramena vertikálne otočného so stĺpom. Multirotorový kolektor má pozdĺžne nosníky prichytené so sklonom lanami z lôžka na konci výstuže ramena. Výstužné laná smerujú zo spodnej časti otočného stĺpa, kde smeruje vztlaková sila z multirotorového kolektora. Každý rotor je polohovaný na pozdĺžnych nosníkoch. Na stĺpe sú umiestnené snímače ohybu a sklonu a svojím povelom servu upravujú sklon rotorov tak, aby výslednica vztlakových a odporových síl smerovala do spodnej časti stĺpa. V čase najväčšieho vetra sú rotory uložené na ramene takmer vodorovne rotujúce a odporové sily na sústavu sú najväčšie. Výslednica síl s váhou zariadenia smeruje šikmo dolu v koreni konštrukcie. Nízka hmotnosť malých rotorov a spôsob namáhania umožňujú uplatniť nízkohmotný stĺp aj rameno.

Rotory aspoň sčasti obsahujú do série zapojené ľahké generátory s možnou funkciou ako elektromotory. Osadenie systému na mieste je tým rýchle a jednoduché. Multirotorový kolektor vyvíja svoj vlastný vztlak. Rameno hydraulicky alebo mechanicky zdvihne do uhla závažie alebo stĺpik ramena a celá sústava sa dvíha ťahom proti vetru mechanizmom podľa veľkosti. Vztlak multirotorového kolektora stabilizuje postavený systém.

Aspoň na jednom konci ramena sú umiestnené vyvažovacie rotory (krídlo), ktorých sklon sa nastavuje na impulz zo snímača ohybu stĺpa, a to v prípade, že multirotorový kolektor opustí lôžko uloženia a naruší sa rovnováha hmotností alebo účinkom aerodynamického odporu nastáva zvýšené ohybové namáhanie stĺpa.

Multirotorový kolektor môže po opustení lôžka na ramene zvýšiť svoju polohu vlastným vztlakom, aerostatom alebo aerodynamickým prostriedkom. Jeho stabilita je vtedy riadená vzájomným pomerom predných a zadných upútacích lán, ktoré sú odvíjané servom napojeným na snímač sklonu. Prídavný vztlak vyrovnáva tiež nárast odporu, ktorý môže vznikať doplnkovou vztlakovou plochou priamo na multirotorovom kolektore v tvare priečnych pásov zvyšujúcich tlak na rotory.

Kolmé solárne plochy v okolí stĺpa prehrievajú za slnka vzduch, ktorý sa nasáva prúdom z dúchadla kolmo nahor. Iniciuje sa termický vzostupný prúd do multirotorového kolektora, ktorý sa v tomto prípade nastaví kolmo na prúd vzduchu zmenou sklonu ramena, na povel snímača vertikálneho prúdenia.

Systém môže byť doplnený prstencom okolo solárnych zvislých plôch, ktorý pozostáva z rozprašovačov studenej vody aspoň vo výške stĺpa, čo spôsobuje pád okolitého schladeného vzduchu a intenzívnejší vzostupný prúd v strede pod multirotorovým kolektorom.

V prípade umiestnenia v hlbokom mori je hybridný sortiment doplnený možnosťou zberu energie morských vín. Generátor je umiestnený vyššie nad úrovňou vín. Vztlakové teleso vertikálne vzdúvané vlnami ťahadlom roztáča voľnobežku na hriadeli generátora a zvyšuje respektíve doplňuje výkon zariadenia pred a po vetre. Plávajúca platforma na hmotnosť systému je zvislá bója so závažím na spodnej časti prichytená predpätými lanami o dno. Nízky moment sily nekladie nároky na masívnosť a náklady kotvenia.

Prehľad obrázkov

Na obrázku 1 je bočný pohľad na hybridný vetemoenergetický systém v schematickom znázornení. Na obrázku 2 je pohľad spredu v smere vetra na multirotorový kolektor v tvare padákového krídla.

SK 7070 Υ1

Príklady uskutočnenia

Hybridný vetemoenergetický systém určený na prevádzku v ťažko dostupnom alebo odľahlom priestore, ako sú odľahlé roviny, hory, hlboké moria, je navrhnutý na ľahkú dopraviteľnosť a jednoduchú montáž zásluhou relatívne nízkej hmotnosti, ktorá vyplýva z technického riešenia. Multirotorový kolektor je zostavený zo siete tenkostenných rúrok v tvare padáka. Na pozdĺžnych priečkach sú prichytené rotory 2 s priemerom asi 3 m, takže samotné rotory 2 sú 40-krát ľahšie než porovnateľný rotor s priemerom 120 m a váha celého multirotorového kolektora 1 je asi 25-krát nižšia. Stĺp 12 z tenkostenných profilov namáhaný takmer len na vzper, ohybovo len na zložku vychyľovacej sily z nepresnosti automatického nastavenia uhla sklonu rotorov

2. Výslednica síl z hmotnosti a do koreňa smerujúcej vztlakovej sily, pri ochrannom sklone rotorov 2, odľahčuje kotevné konštrukcie. Montáž zariadenia spočíva v zložení predmontovaných blokov do ležatej polohy. Časť rotorov 2 obsahuje motory/generátory. Multirotorový kolektor 1 sa ľahko zdvíha vlastným vztlakom, vetrom a ťahom za závažie 5 alebo stĺpik ramena 4 proti vetru. Uhlové servo 6 zdvíha závažie 5 a rameno 4. Generátory na každom rotore sú spojené do série a sú pripravené na prevádzku. V prípade potreby prevádzky vo väčšej výške, než je polohovanie na stĺpe uložením v lôžku 3, môže multirotorový kolektor 1 opustiť základnú polohu odvíjaním predných lán 15 a zadných lán 14 pri súčasnej regulácii ich vzájomnej dĺžky na základe pokynov zo snímača sklonu 7 A.

Podľa voľby nominálneho vetra pre danú lokalitu vznikajú variantné možnosti doplnkových vztlakových telies. Pri potrebe prevádzky vo väčšej výške, než je úroveň stĺpa 12, sa môže použiť vztlak samotnej plochy multirotorového kolektora 1 voľnými rotormi 2 motoricky hnanými rotormi 2 alebo prídavným vztlakovým telesom 16, ktorého upútavacie lano je vedené zadnou časťou multirotorového kolektora 1, takže pri nadmernom vetre sa aerostatické vztlakové teleso 16 odpúta od celej sústavy v smere vetra a nezaťažuje stĺp 12 ani plochy. V stave nadmerného prúdenia je multirotorový kolektor nastavený do nízkeho uhla nábehu prednými lanami 15 a zadnými lanami 14. Snímač ohybu stĺpa 7B reguluje uhly nábehu tiež vyvažovacích rotorov 9 (krídel 9) tak, aby vektorový súčet odporových a vztlakových síl smeroval do koreňa stĺpa 12. V čase silného vetra snímače 7B registrujú nadmernú záťaž a vydajú povel servu 11 na zníženie uhla nastavenia rotorov 2. Ich optimálna vztlaková sila vytvára protimoment oproti momentu z aerodynamického odporu konštrukcie.

Sústava je stabilná bez robustného kotvenia, takže sa ľahko umiestni na zvislú bóju kotvenú lanami na dne. Jeden spodný generátor 8 využije energiu vín a vertikálne termické prúdy na zvýšenie kapacitného faktora alebo súbežný celkový výkon. Využitie slnečnej energie je možné zintenzívniť, ak v prstenci okolo kolmých solárnych plôch 17 je vytvorený prstenec z dýz na rozprašovanie vody aspoň vo výške stĺpa 12. Usmernenie prúdu dúchadlom 10 termickým vzostupným prúdom vytvorí toroidálne valce s padajúcim chladným vzduchom na okolí a vzostupným stĺpom cez vztýčený multirotorový kolektor L

Claims (6)

1. Hybridný vetemoenergetický systém využívajúci multirotorový kolektor na snímanie kombinovaného zdroja energie vodorovného, ako aj vertikálneho termického prúdenia vzduchu, vyznačujúci sa tým, že multirotorový kolektor (1) je uložený v lôžku (3) na konci ramena (4) v smere vetra, na opačnom konci je protizávažie (5), celá kolektorová sústava je na stĺpe (12) otočné okolo vertikálnej osi, pričom sklon pozdĺžnych nosníkov (13) multirotorového kolektora (1) stanovujú laná v koreni stĺpa (12), pričom osi rotorov (2) sú nastavené v uhle, ktorý zodpovedá povelu od snímača ohybu (7B) cez servo (11) spojené s prednými lanami (15) a zadnými lanami (14).

2. Hybridný vetemoenergetický systém podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že aspoň časť rotorov (2) obsahuje elektrické generátory s inverzným vyhotovením na funkciu motor.

3. Hybridný vetemoenergetický systém podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že aspoň na jednom konci ramena (4) obsahuje vyvažovacie rotory (9) alebo krídlo (9) s uhlom nábehu ovládanom servomotorom od povelu zo snímača ohybu (7B).

4. Hybridný vetemoenergetický systém podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že servo (11) obsahuje navijaky ovládané programom na vypúšťanie, pričom korektor dĺžky predných lán (15) proti zadným lanám (14) je v spojení so snímačom sklonu (7A), pričom multirotorový kolektor (1) je v spojení so vztlakovým telesom v podobe vlastných prídavných plôch (18) alebo rotorov bez generátorov, alebo prídavným vztlakovým telesom (16) aerodynamického alebo aerostatického charakteru.

5. Hybridný vetemoenergetický systém podľa nároku 1,2, vyznačujúci sa tým, že k systému prislúchajú kolmé solárne plochy (17) v okolí stĺpa (12) a vertikálne dúchadlo (10), prípadne v širšom okolí sú dýzy na rozprašovanie vody aspoň vo výške stĺpa (12), pričom rameno (4) je takmer v zvislej polohe uhlovým servom (6).

SK 7070 Υ1

6. Hybridný vetemoenergetický systém podľa nároku 1,2, vyznačujúci sa tým, tým, že na hriadeľ v spodnej časti stĺpa (12) polohovaného generátora (8) je napojené vratné ťahadlo vlnového energetického systému cez voľnobežku.