RU2113615C1 - Method for converting wind energy into high-power electricity - Google Patents

Abstract

FIELD: power engineering; wind-electric power generators. SUBSTANCE: set of aerodynamic screws or axial blade assemblies are coupled with horizontal shafts which are set rigidly through kinematic joints into single spatially stretched line thereby forming wind dam; connected to last shaft of this line is step-up gear and the latter is coupled with high-power ac generator. EFFECT: improved utilization of wind energy for producing commercial current from wind power plants. 3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к энергетике, в частности, к ветровым генераторам электрического тока. The invention relates to energy, in particular, to wind generators of electric current.

Известно устройство ветрового генератора электрического тока (авт. св. СССР N 1333821, кл. F 03 D 1/02, 1987), основой которого является аэродинамический винт, приводимый во вращение напором ветра, соединенный с электрическим генератором постоянного тока. A device for a wind generator of electric current (ed. St. USSR N 1333821, class F 03 D 1/02, 1987), the basis of which is an aerodynamic screw driven by a wind pressure, connected to an electric DC generator.

Известно также устройство мощного гидрогенератора (Вольдек А.И., Электрические машины, М.: Энергия, 1978, с. 371), содержащее горизонтальный вал, сочлененный с мощным синхронным электрическим генератором и с гидротурбиной. The device of a powerful hydrogenerator is also known (A. Voldek, Electric machines, M .: Energia, 1978, p. 371), containing a horizontal shaft articulated with a powerful synchronous electric generator and with a hydraulic turbine.

Отличительной особенностью первого устройства является постоянство передаваемого момента от винта и его независимость от скорости вращения при неизменной скорости набегающего потока. A distinctive feature of the first device is the constancy of the transmitted moment from the screw and its independence from the rotation speed at a constant speed of the incoming flow.

Конструктивное ограничение размеров винта, проявление сил трений в механических узлах и электрические потери в известных вариантах устройств уменьшают коэффициент их полезного действия и мощности, снимаемой с них электроэнергии в пределах до 5 - 60 кВт. Constructive limitation of the screw size, the manifestation of friction forces in mechanical units and electrical losses in known device variants reduce their efficiency and power, the electric energy removed from them in the range of 5-60 kW.

Параллельное включение пространственно рассредоточенной системы типовых генераторов ветровой энергии с целью получения большой суммарной мощности наталкивается на проблемы согласования большего числа отдельных генераторов постоянного тока по равномерности их нагрузки, а также на проблемы передачи постоянных токов большой силы по проводам до промышленных потребителей. The parallel inclusion of a spatially dispersed system of typical wind energy generators in order to obtain a large total power encounters the problems of matching a larger number of individual DC generators according to the uniformity of their load, as well as the problems of transferring high current direct currents through wires to industrial consumers.

Кроме того, подавляющая часть промышленного электрического оборудования и машин ориентирована на стандартные уровни переменных токов частоты 50 Гц или 60 Гц. Исходя из этого, попытка получить на основе первично маломощных ветровых генераторов постоянного тока переменный (более мощный ток) приводит к необходимости введения вторичных преобразователей частоты. Последнее качественно и по оборудованию и конструктивно усложняет всю систему электроснабжения от ветровых генераторов, делая их пригодными в большинстве случаев для маломощных потребителей. In addition, the vast majority of industrial electrical equipment and machinery is focused on standard levels of variable frequency currents of 50 Hz or 60 Hz. On this basis, an attempt to obtain alternating (more powerful current) based on primarily low-power wind generators of direct current leads to the need for the introduction of secondary frequency converters. The latter qualitatively and in terms of equipment and structurally complicates the entire power supply system from wind generators, making them suitable in most cases for low-power consumers.

В основу преобразования ветровой энергии в электрическую можно прямо положить использование генераторов переменного тока. Но в этом случае при объединении их большого количества в единую энергосистему необходимо преодолеть сложности суммирования некогерентных и несинфазных периодических процессов. The transformation of wind energy into electrical energy can be directly based on the use of alternators. But in this case, when combining a large number of them into a single energy system, it is necessary to overcome the difficulties of summing incoherent and non-in-phase periodic processes.

Самой главной проблемой подключения к вращающимся винтам генераторов переменного тока относительно небольшой мощности является непростота введения повышающих редукторов в тех случаях, когда требуются скорости оборотов до 60 - 3000 об/мин. The most important problem of connecting relatively small power generators to rotating screws is the difficulty of introducing step-up gearboxes in those cases where speeds of up to 60 - 3000 rpm are required.

В этом случае моменты трений и вредные моменты возможной разбалансировки вращающихся масс, приведенные к валу от винта, усиливаются во много раз в строгом соответствии с коэффициентом Кр вводимой редукции, что прямо приводит к ухудшению во столько раз КПД все системы. In this case, the friction moments and harmful moments of possible unbalancing of the rotating masses brought to the shaft from the screw are amplified many times in strict accordance with the coefficient Kp of the introduced reduction, which directly leads to a deterioration in the efficiency of all systems by so many times.

В варианте устройства гидрогенератора 3000 об/мин достигаются непосредственно за счет вращения турбины большим напором водного потока, плотность и энергия которого примерно в 1000 раз больше плотности и энергии воздушных потоков при равных скоростях струйных течений в них. In an embodiment of the hydrogenerator device, 3000 rpm are achieved directly due to the rotation of the turbine with a large pressure of the water stream, the density and energy of which is about 1000 times higher than the density and energy of the air flows at equal speeds of jet flows in them.

При указанных соотношениях использовать решения, пригодные для гидрогенераторов, делается невозможным для ветровых установок хотя общие механизмы гидродинамики для них являются одинаковыми. With the indicated ratios, it is impossible to use solutions suitable for hydrogenerators for wind turbines, although the general hydrodynamic mechanisms are the same for them.

Цель изобретения - устранение указанных недостатков в части технических проблем получения промышленного тока от ветровых установок. The purpose of the invention is the elimination of these disadvantages in terms of technical problems of obtaining industrial current from wind turbines.

Поставленная цель достигается тем, что ряд аэродинамических винтов или цилиндрических лопастных устройств соединяют с горизонтально расположенными валами, которые жестко через ременные, шестеренчатые, карданные или муфтовые соединения устанавливают в единую, пространственно протяженную линию, и тем самым образуют своеобразную ветровую плотину, при этом к последнему валу такой линии подключают повышающий редуктор, к которому присоединяют генератор переменного тока повышенной мощности. This goal is achieved by the fact that a number of aerodynamic propellers or cylindrical blade devices are connected to horizontally located shafts, which are rigidly mounted through a belt, gear, cardan or coupling joints into a single, spatially extended line, and thereby form a kind of wind dam, with the latter the shaft of such a line is connected to a booster gearbox, to which an alternating current generator of increased power is connected.

Устройство для реализации способа преобразования ветровой энергии в электрическую большой мощности отличается тем, что ряд аэродинамических винтов или лопастных цилиндрических преобразователей соединен с горизонтальными валами, установленными в подшипниках на опорах, при этом горизонтальные валы через жесткую связь последовательно вдоль единой протяженной линии подключены друг к другу, причем к конечному валу такой последовательности подключен повышающий редуктор, который в свою очередь соединен с генератором переменного тока повышенной мощности, а на опорах установлены формующие и направляющие ветровой поток экраны. A device for implementing a method of converting wind energy into high-power electric is characterized in that a series of aerodynamic propellers or cylindrical vane converters are connected to horizontal shafts mounted in bearings on bearings, while horizontal shafts are connected to each other through a rigid connection in series along a single extended line moreover, to the final shaft of such a sequence connected step-up gearbox, which in turn is connected to an alternator by yshennoy power, and installed on supports forming and directing wind flow screens.

На фиг. 1 и 2 показано устройство, реализующее способ преобразования ветровой энергии в электрическую большой мощности; на фиг. 3 и 4 вариант с лопастными первичными преобразователями ветровой энергии в механическое вращение горизонтального вала; на фиг. 5 - устройство аккумулирования энергии. In FIG. 1 and 2 show a device that implements a method of converting wind energy into electrical power of high power; in FIG. 3 and 4 version with paddle primary converters of wind energy into mechanical rotation of a horizontal shaft; in FIG. 5 - energy storage device.

Устройства включают преобразователи ветровой энергии модульной конструкции 1, первичные ветровые преобразователи 2 и 3, горизонтальные валы 4, шестеренчатые зацепления 5, узлы кинематического соединения валов 6, повышающий редуктор 7, генератор переменного тока 8, опоры 9, экраны 10, направляющие экраны 11 и 12. The devices include wind energy converters of modular design 1, primary wind converters 2 and 3, horizontal shafts 4, gear gears 5, kinematic connection units of shafts 6, step-up gear 7, alternator 8, bearings 9, shields 10, guiding screens 11 and 12 .

Основу изобретения (фиг. 1 и 2) составляет последовательность первичных преобразователей ветровой энергии 1 модульного типа на базе аэродинамических винтов 2, приводящих во вращение горизонтальные валы 4 через шестеренчатые зацепления 5. The basis of the invention (Fig. 1 and 2) is a sequence of primary converters of wind energy 1 of a modular type based on aerodynamic propellers 2, which rotate the horizontal shafts 4 through gear gears 5.

Эта последовательность устанавливается по протяженной линии любого профиля с учетом естественного рельефа поперек пути наиболее вероятного направления ветровых потоков, движущихся с усредненной скоростью

.This sequence is established along an extended line of any profile, taking into account the natural topography across the path of the most probable direction of wind flows moving with an average speed

.

Каждый последующий преобразователь механически сопрягается с предыдущим через жесткие кинематические соединения 6 либо шестеренчатого, либо клиноременного, либо иного типа. включая карданные и муфтовые соединения. Each subsequent converter is mechanically mated to the previous one through rigid kinematic connections 6 either of gear, or V-belt, or of another type. including cardan and coupling joints.

Таким образом, момент М_Bi, передаваемый от каждого первичного преобразователя ветровой энергии, последовательно усиливается и на конечном валу становится равным:

На конце последнего вала 4 (фиг. 1) подключен повышающий редуктор 7, по выходу прямо связанный с мощным генератором переменного тока 8.Thus, the moment M _Bi transmitted from each primary converter of wind energy is sequentially amplified and becomes equal on the final shaft:

At the end of the last shaft 4 (Fig. 1) a step-up gearbox 7 is connected, the output directly connected to a powerful alternator 8.

Установленная на опорах 9 (фиг. 3) система раздельных маломощных преобразователей ветровой энергии приводит к тому, что вся энергия механически интегрируется по площади вдоль своеобразной протяженной ветровой плотины и преобразуется в электрическую единственным более мощным генератором переменного тока 8. Installed on the supports 9 (Fig. 3), a system of separate low-power wind energy converters leads to the fact that all the energy is mechanically integrated over the area along a peculiar extended wind dam and converted into electric by a single, more powerful alternating current generator 8.

Фиг. 4 и 3 поясняют другую разновидность рассматриваемого решения. Здесь вместо винтов используются осевые лопастные преобразователи 3. Эти преобразователи снабжены экранами 10, закрывающими часть лопастей от ветрового напора для создания вращающего момента. С целью управления набегающими потоками воздуха лопастные преобразователи снабжены боковыми направляющими экранами 11 и 12. FIG. 4 and 3 explain another variation of the solution in question. Here, instead of screws, axial blade converters 3 are used. These converters are equipped with shields 10 that cover part of the blades from the wind pressure to create a torque. In order to control the oncoming air currents, the blade converters are equipped with side guide screens 11 and 12.

Особенность представленных технических решений сводится к тому, что введение повышающего редуктора 7 с целью получения тока необходимой частоты с некоторого критического числа последовательно соединенных первичных преобразователей ветровой энергии не влияет на уменьшение КПД всей системы. The peculiarity of the presented technical solutions boils down to the fact that the introduction of a step-up reducer 7 in order to obtain the current of the required frequency from a certain critical number of series-connected primary converters of wind energy does not affect the reduction of the efficiency of the entire system.

Можно показать, что момент от сил трения М_г, приведенный к валу генератора 8, составляет величину:

где
P_н - мощность генератора в номинальном режиме работы;
η_г - относительная величина потерь от сил трений в генераторе тока;
n_г - количество оборотов вала генератора тока в минуту;
K_р - коэффициент передачи повышающего редуктора.It can be shown that the moment from the friction forces M _g , reduced to the shaft of the generator 8, is:

Where
P _n - generator power in nominal operation mode;
η _g is the relative value of the losses from the friction forces in the current generator;
n _g - the number of revolutions of the shaft of the current generator per minute;
K _p - gear ratio of the boost gear.

Тогда при требуемой эффективности преобразования ветровой энергии в электрическую с нужным коэффициентом потерь μ_доп допустимый момент на валу генератора будет ограничен условием:

Из (3) следует оценка минимальной мощности P_{в min} на валу системы первичных ветровых преобразователей, после которой целесообразно установить повышающий редуктор, подключенный к генератору переменного тока 8, в виде:

где
n_в - число оборотов вала в мин до редуктора.Then at the desired efficiency of conversion of wind energy into electrical energy with the required _additional loss factor μ permissible torque on generator shaft is limited by the condition:

From (3) there follows an estimate of the minimum power P _{in min} on the shaft of the system of primary wind converters, after which it is advisable to install a step-up reducer connected to an alternator 8, in the form:

Where
n _in - the number of revolutions of the shaft in minutes to the gearbox.

Критическое минимальное количество последовательно соединенных типовых модулей первичных ветровых преобразований, способных сформировать энергетическую систему промышленной мощности, составит:

где
P - мощность на валах первичных преобразователей ветровой энергии.The critical minimum number of series-connected typical modules of primary wind transformations capable of forming an industrial power system will be:

Where
P is the power on the shafts of the primary converters of wind energy.

Таким образом, начиная с некоторого критического числа последовательно соединяемых модульных установок, имеется возможность создать достаточно мощную энергетическую систему плотинного типа с требуемыми потерями, например в 1%. Thus, starting from a certain critical number of modular units connected in series, it is possible to create a sufficiently powerful dam type energy system with the required losses, for example, at 1%.

Системы, соответствующие фиг. 1 - 4, представляется возможным дополнить устройством аккумулирования энергии и стабилизации мощности ее потребления на базе раскручиваемого массивного гироскопического ротора 14, например, с помощью высокооборотного асинхронного двигателя 15. The systems of FIG. 1 to 4, it seems possible to supplement the device with energy storage and stabilize the power of its consumption on the basis of a spinning massive gyroscopic rotor 14, for example, using a high-speed asynchronous motor 15.

При этом вращательный момент от такого ротора через понижающий редуктор 16, цепь обратной связи 17 и узел суммирования моментов 18 вновь поступает на вход генератора 8, обеспечивая как стабилизацию оборотов его, так и подпитку накопленной механической энергии. In this case, the rotational moment from such a rotor through a reduction gear 16, a feedback circuit 17 and a moment summing unit 18 is again fed to the input of the generator 8, providing both stabilization of its revolutions and replenishment of the accumulated mechanical energy.

Представленная пространственно протяженная ветровая энергетическая система отличается экологической безопасностью и может устанавливаться в регионах стабильно действующих ветров, таких как открытые пространства морского побережья и степных районов, вдоль шоссейных и железных дорог, по склонам и хребтам невысоких гор и возвышенностей, подобных, например, районам г. Новороссийска и т.п. The presented spatially extended wind energy system is environmentally friendly and can be installed in regions of stable winds, such as open spaces of the sea coast and steppe regions, along highways and railroads, along slopes and ridges of low mountains and elevations, such as, for example, g. Novorossiysk, etc.

Claims (3)

1. Способ преобразования ветровой энергии в электрическую большой мощности, в котором приводят во вращение аэродинамические винты или лопастные цилиндрические преобразователи, а также соединяют их с генераторами переменного тока повышенной мощности, отличающийся тем, что ряд аэродинамических винтов или лопастных цилиндрических преобразователей соединяют с горизонтально расположенными валами, их числом, большим критической минимальной величины

где N_min - минимальная промышленная мощность последовательно соединенных типовых ветровых установок с горизонтальными валами;
M_г - момент сопротивления потерь, приведенный к валу генератора переменного тока;
К_р - коэффициент передачи повышающего редуктора;
n_B - число оборотов вала в 1 мин до редактора;
μ_доп - - допустимый коэффициент потерь;
P_i - мощность на валу отдельного лопастного цилиндрического преобразователя (ветрового преобразователя),
которые через жесткие кинематические соединения устанавливают в единую пространственно-протяженную линию, при этом к последнему валу такой линии подключают повышающий обороты редуктор, к которому присоединяют генератор переменного тока повышенной мощности.1. A method of converting wind energy into high-power electric, in which aerodynamic propellers or cylindrical vane converters are rotated, and also connect them to high-power alternating current generators, characterized in that a series of aerodynamic propellers or vane-cylindrical converters are connected to horizontally located shafts by their number greater than the critical minimum

where N _min is the minimum industrial capacity of series-connected typical wind turbines with horizontal shafts;
M _g - loss resistance moment reduced to the shaft of the alternator;
To _p - the gear ratio of the boost gear;
n _B is the number of shaft revolutions in 1 min to the editor;
μ _add - - allowable loss coefficient;
P _i - power on the shaft of a single blade cylindrical transducer (wind transducer),
which, through rigid kinematic connections, are installed in a single spatially extended line, while the speed-reducing gear is connected to the last shaft of such a line, to which an alternating current generator of increased power is connected. 2. Устройство для преобразования ветровой энергии в электрическую большой мощности, содержащее ряд аэродинамических винтов или лопастных цилиндрических преобразователей, а также генераторы переменного тока повышенной мощности, отличающееся тем, что ряд аэродинамических винтов или лопастных цилиндрических преобразователей соединен с горизонтальными валами, установленными в подшипниках на опорах, при этом горизонтальные валы через жесткую связь вдоль единой протяженной линии последовательно подключены друг к другу, причем к конечному валу такой последовательности присоединен повышающий редуктор, который, в свою очередь, соединен с генератором переменного тока повышенной мощности, а на опорах установлены формирующие и направляющие ветровой поток экраны. 2. A device for converting wind energy into electrical high power, containing a number of aerodynamic propellers or rotary vane transducers, as well as alternating current generators of increased power, characterized in that the series of aerodynamic propellers or vane cylindrical converters is connected to horizontal shafts mounted in bearings on bearings while horizontal shafts through a rigid connection along a single long line are connected in series with each other, and of course at the shaft of such a sequence is connected step-up gear, which in turn is connected to a generator of alternating current high power, and mounted on supports and guides forming the wind flow screens. 3. Устройство по п. 2, отличающeeся тем, что оно выполнено в виде последовательности соединений узла суммирования моментов, генератора переменного тока, гироузла с быстровращающимся массивным ротором и понижающего редуктора, который по цепи обратной связи подключен к узлу суммирования моментов, другим входом которого является выход повышающего редуктора. 3. The device according to claim 2, characterized in that it is made in the form of a sequence of connections of the moment summing unit, an alternating current generator, a gyro unit with a rapidly rotating massive rotor and a reduction gear, which is connected via a feedback circuit to the moment summing unit, the other input of which is boost reduction output.

Images