ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Изобретение относится к области малой энергетики и может быть использовано для создания ветро-фотоэлектрических станций.

Известна солнечно-ветровая энергетическая установка, содержащая ветротурбину, на криволинейные лопасти которой наклеены пленочные фотоэлектрические преобразователи, соединенные в батарею, а также содержащая токопередающие узлы, аккумуляторные батареи и инвертор (патент РФ №2611923, МПК H02S 10/12, 2017 г.).

Основными недостатками этого решения являются пониженная надежность, малая мощность и низкая эффективность работы батареи фотоэлектрических преобразователей из-за наличия двух контактных токопередающих узлов и непрерывной смены освещенности фотоэлектрических преобразователей при вращении ветротурбины. Так, известно (см., например, Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей, 1983 г.), что в модуле из последовательно соединенных фотоэлектрических преобразователей ток ограничивается током наименее освещенного преобразователя, а в случае отключения затененного преобразователя шунтирующим диодом снижается выходная мощность.

Известна гибридная энергетическая вертикальная установка, содержащая ветроротор Савониуса, на скрученных лопастях которого закреплены фотоэлектрические преобразователи, а также содержащая индукционный токопередающий узел, накопитель электрической энергии и инвертор (патент РФ №2551913, МПК H02S 10/12, 2015 г).

Основными недостатками этого решения являются малая мощность и низкая эффективность работы батареи фотоэлектрических преобразователей из-за непрерывной смены освещенности фотоэлектрических преобразователей при вращении ветроротора Савониуса, а также дополнительного затенения фотоэлектрических преобразователей лопастями расположенного вокруг них ветроротора Дарье.

Известна система автономного электро- и теплоснабжения жилых и производственных помещений, содержащая ветрогенераторную установку, батарею фотоэлектрических преобразователей, размещенную вне ветрогенераторной установки, аккумулятор электрической энергии и инвертор (патент РФ №2535899, МПК H02S 10/12, 2014 г.).

Недостатками этого решения являются необходимость использования дополнительной свободной площади для размещения батареи фотоэлектрических преобразователей, а также снижение эффективности фотоэлектрических преобразователей из-за перегрева при работе вследствие плохого теплоотвода от их поверхностей.

Известна ветроэнергетическая установка, содержащая кольцевой понтон-ротор, размещенный с возможностью вращения вокруг центральной неподвижной башни, поворотные лопасти, выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей и размещенные между жесткими кольцевыми дисками, гибкие тяги, связанные со ступицей преобразователя энергии, установленной с возможностью вращения вокруг продольной оси неподвижной башни, при этом нижний кольцевой диск скреплен с кольцевым понтоном посредством жестких стержневых элементов (патент РФ №2334121, МПК F03D 3/00, 2008 г.).

Эта установка, как наиболее близкая по технической сущности к предлагаемой, выбрана в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются:

1. Низкая эффективность вследствие использования лишь одного возобновляемого источника энергии. Прекращение генерации в безветренную погоду.

2. Недостаточная надежность работы вследствие нестабильного энергоснабжения приводов поворота лопастей.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое решение, выражается в повышении эффективности работы энергетической установки и ее надежности.

Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в увеличении выходной мощности установки, уменьшении частоты отказов, связанных с нестабильностью энергоснабжения приводов поворота лопастей.

Поставленная задача решается тем, что энергетическая установка, содержащая центральную башню и ротор, который включает поворотные лопасти, размещенные между жесткими кольцевыми дисками и выполненные с возможностью вращения вокруг вертикальных осей посредством приводов поворота, элементы связи кольцевых дисков со ступицами ротора, установленными с возможностью вращения вокруг продольной оси центральной башни, и кольцевой понтон, размещенный с возможностью вращения вокруг центральной башни и скрепленный с нижним кольцевым диском, отличается тем, что она снабжена батареей фотоэлектрических модулей, закрепленной на верхнем кольцевом диске на его верхней периферийной поверхности, имеющей в каждой ее точке отклонение нормали в сторону от оси вращения ротора на 5…45 градусов, зависимым инвертором, установленным на роторе, и токопередающим узлом, установленным соосно с центральной башней, при этом выводы батареи фотоэлектрических модулей подключены к входам зависимого инвертора, выходы зависимого инвертора подключены к клеммам подвижной части токопередающего узла и параллельно подключены к входам электропитания приводов поворота лопастей, а клеммы неподвижной части токопередающего узла подключены к силовым линиям электрической сети установки, при этом батарея фотоэлектрических модулей образована из групп фотоэлектрических модулей так, что в каждую группу включены соседние модули, соединенные между собой последовательно, а группы подключены друг к другу параллельно через последовательные устройства согласования по напряжению и размещены по периметру верхнего кольцевого диска с угловым шагом в соответствии с выражениями

где Δθ - шаг между группами фотоэлектрических модулей по азимутальному углу, градусов,

N_b - общее количество фотоэлектрических модулей в батарее,

N_g - число фотоэлектрических модулей в каждой группе,

V_dc - номинальное входное напряжение зависимого инвертора,

V_mp - выходное напряжение фотоэлектрического модуля в точке максимальной мощности.

При этом верхняя периферийная поверхность верхнего кольцевого диска составлена из плоских граней, размещенных по периметру верхнего кольцевого диска с угловым шагом, равным шагу между группами фотоэлектрических модулей, а фотоэлектрические модули каждой группы установлены в тепловом контакте с металлической поверхностью верхнего кольцевого диска в пределах одной грани.

Кроме того, ротор снабжен накопителем электрической энергии и батарейным инвертором, при этом выходы зависимого инвертора и клеммы подвижной части токопередающего узла подключены к входам электропитания приводов поворота лопастей через батарейный инвертор, а входы батарейного инвертора по постоянному току подключены к выводам накопителя электрической энергии.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «…снабжена батареей фотоэлектрических модулей, закрепленной на верхнем кольцевом диске на его верхней периферийной поверхности, имеющей в каждой ее точке отклонение нормали в сторону от оси вращения ротора на 5…45 градусов, зависимым инвертором, установленным на роторе, и токопередающим узлом, установленным соосно с центральной башней, при этом выводы батареи фотоэлектрических модулей подключены к входам зависимого инвертора, выходы зависимого инвертора подключены к клеммам подвижной части токопередающего узла а клеммы неподвижной части токопередающего узла подключены к силовым линиям электрической сети установки…» позволяют задействовать для .генерации электроэнергии энергию солнечного излучения, приходящую на значительную площадь верхней периферийной поверхности верхнего кольцевого диска. При этом фотоэлектрические модули хорошо охлаждаются воздушными струями, обтекающими верхний кольцевой диск на повышенной скорости, и не затеняются другими элементами установки.

Признаки «…батарея фотоэлектрических модулей образована из групп фотоэлектрических модулей так, что в каждую группу включены соседние модули, соединенные между собой последовательно, а группы подключены параллельно через последовательные устройства согласования по напряжению и размещены по периметру верхнего кольцевого диска с угловым шагом в соответствии с выражениями

где Δθ - шаг между группами фотоэлектрических модулей по азимутальному углу, градусов,

N_b - общее количество фотоэлектрических модулей в батарее,

N_g - число фотоэлектрических модулей в каждой группе,

V_dc - номинальное входное напряжение зависимого инвертора,

V_mp - выходное напряжение фотоэлектрического модуля в точке

максимальной мощности» позволяют получить максимальную мощность батареи фотоэлектрических модулей, составленной из групп модулей, находящихся в условиях разной освещенности из-за их различной ориентации относительно Солнца.

Признак «…выходы зависимого инвертора подключены к клеммам подвижной части токопередающего узла и параллельно подключены к входам электропитания приводов поворота лопастей, а клеммы неподвижной части токопередающего узла подключены к силовым линиям электрической сети установки» и признаки 3-го пункта формулы обеспечивают повышенную надежность работы приводов поворота лопастей за счет резервирования источников их электропитания.

Признаки 2-го пункта формулы обеспечивают максимальную выходную мощность каждой группы фотоэлектрических модулей. Кроме того они обеспечивают дополнительный отвод тепла, образующегося при работе фотоэлектрических преобразователей также в металл верхнего кольцевого диска. Тем самым предотвращается снижение КПД фотоэлектрических преобразователей из-за нагрева.

Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена энергетическая установка в разрезе. На фиг. 2 - вид установки сверху (нижняя ступица преобразователя энергии и прикрепленные к ней гибкие тяги здесь условно не показаны). На фиг. 3 в увеличенном масштабе показан разрез А - А (см. фиг. 2). На фиг. 4 показана электрическая схема фотоэлектрической части энергетической установки. На фиг. 5 показана схема коммутации групп фотоэлектрических модулей в батарее.

На чертежах обозначено:

1 - кольцевой понтон, 2 - поворотные лопасти, 3 и 4 - нижний и верхний (соответственно) кольцевые диски, 5 - жесткие колонны для крепления нижнего кольцевого диска 3 с кольцевым понтоном 1, 6 - горизонтальные радиальные гибкие тяги для крепления верхнего кольцевого диска 4 с верхней ступицей 7 ротора, 8 - нижняя ступица ротора, 9 - горизонтальные гибкие тяги для крепления ступицы 8 с нижним кольцевым диском 3, 10 - неподвижная башня, 11 - вертикальная ось лопасти, 12 - наклонная штанга, 13 - фотоэлектрический модуль, 14 - плоская грань на верхней периферийной поверхности верхнего кольцевого диска 4, 15 - группа фотоэлектрических модулей, 16 - устройство согласования по напряжению, 17 - батарея фотоэлектрических модулей, 18 - зависимый инвертор с контроллером фотоэлектрической батареи, 19 - батарейный инвертор, 20 - накопитель электрической энергии (аккумуляторная батарея), 21 - неподвижная часть токопередающего узла, 22 - подвижная часть токопередающего узла, 23 - привод поворота лопасти, 24 - подводный электрический кабель, 25 - силовые линии электрической сети установки.

Энергетическая установка представляет собой плавучую ветротурбину с вертикальной осью вращения, объединенную с солнечной миниэлектростанцией. Нижняя несущая система ротора ветротурбины выполнена в виде кольцевого понтона 1. К кольцевому понтону 1 на жестких колоннах 5 прикреплен нижний кольцевой диск 3, выше и параллельно которому расположен верхний кольцевой диск 4. Между жесткими кольцевыми дисками 3 и 4 размещены поворотные лопасти 2. Верхний кольцевой диск 4 скреплен горизонтальными радиальными гибкими тягами 6 с верхней ступицей 7 ротора, установленной на неподвижной башне 10. Причем верхняя ступица 7 ротора установлена с возможностью вращения вокруг продольной оси башни 10. Нижняя ступица 8 ротора скреплена горизонтальными гибкими тягами 9 с нижним кольцевым диском 3 и связана с преобразователем энергии (условно не показан), например, насосом объемно регулируемой гидропередачи «насос-турбогенератор». Приводы поворота лопастей 23 могут быть выполнены в любом общеизвестном варианте. Кольцевые диски 3 и 4 выполнены шириной от 0,8 до 1,5 от величины хорды лопасти 2, с трапецеидальным поперечным сечением.

На верхней периферийной поверхности верхнего кольцевого диска 4, имеющей в каждой ее точке отклонение нормали в сторону от оси вращения ротора на 5…45 градусов, закреплены фотоэлектрические модули 13. При этом указанная поверхность составлена из плоских граней 14, размещенных по периметру верхнего кольцевого диска с угловым шагом по азимутальному углу Δθ.

Батарея фотоэлектрических модулей 17 образована из параллельно соединенных групп фотоэлектрических модулей 15, состоящих из последовательно соединенных фотоэлектрических модулей 13, и устройств согласования по напряжению 16, включенных последовательно с группами фотоэлектрических модулей. Устройства согласования по напряжению 16 построены по любой из известных схем.

Выводы батареи фотоэлектрических модулей 17 подключены ко входу зависимого инвертора 18 (например, может быть использован инвертор SMA Sunny Central), выход которого подключен к клеммам подвижной части токопередающего узла 22. Неподвижная часть токопередающего узла 21 подключена к силовым линиям электрической сети 25. К выходу зависимого инвертора 18 также параллельно подключены входы электропитания приводов поворота лопастей 23 (блоки управления приводов условно не показаны) и вход батарейного инвертора 19 (например, модели SMA Sunny Island) по переменному току. К входу по постоянному току батарейного инвертора 19 подключены выводы накопителя электрической энергии 20. Количество фотоэлектрических модулей N_g в каждой группе 15 определяется входным напряжением V_dc зависимого инвертора 18 и напряжением в точке максимальной мощности фотоэлектрического модуля V_mp согласно выражению Количество групп фотоэлектрических модулей определяется согласно выражению Номинальная мощность батарейного инвертора 19 определяется мощностью электродвигателей приводов поворота лопастей. Напряжение накопителя электрической энергии 20 определяется входным напряжением батарейного инвертора по постоянному току.

Шаг между группами по азимутальному углу Δθ (в градусах) определяется из выражении

Каждая группа 15 соседних фотоэлектрических модулей расположена полностью в пределах одной плоской грани 14, например, с вершинами в точках а, b, с и d (см. фиг. 2). При этом все фотоэлектрические модули 13 каждой группы 15 установлены в тепловом контакте с металлической поверхностью соответствующей грани 14 верхнего кольцевого диска 4. Плоские грани размещены по периметру верхнего кольцевого диска 4 с угловым шагом, равным указанному шагу между группами фотоэлектрических модулей Δθ.

Токопередающий узел установлен соосно с центральной башней 10, предпочтительно в верхней опоре ротора. Его неподвижная часть 21, например, система контактных колец, подключенных к силовым линиям электрической сети установки, закреплена на центральной башне 10, а подвижная часть 22 токопередающего узла, например, система щеток расположена на верхней ступице 7. Возможно также исполнение токопередающего узла с бесконтактной (индукционной) передачей. Изолированные кабели (не показаны) от подвижной части 22 токопередающего узла к батарее 17 фотоэлектрических модулей и к входам электропитания приводов поворота лопастей 23 проложены по гибким тягам 6. Устройства согласования по напряжению 16, инверторы 18 и 19, аккумуляторная батарея 20 конструктивно расположены в отсеках ротора, приближенных к оси его вращения, например, на верхней ступице 7 или на нижней ступице 8, что облегчает доступ к ним технического персонала для обслуживания и ремонта.

Энергетическая установка работает следующим образом.

Поворотные лопасти 2 посредством приводов их разворота (на фиг. 1-3 условно не показаны) поворачиваются вокруг вертикальных осей 11 на предварительно рассчитанные углы атаки относительно направления ветра.

Аэродинамические силы, воздействующие на лопасти 2, передаются через оси 11 на нижний 3 и верхний 4 кольцевые диски. При этом крутящий момент через колонны 5 приводит во вращение кольцевой понтон 1 и, через предварительно натянутые гибкие тяги 9, нижнюю ступицу 8 ротора. Крутящий момент с верхнего кольцевого диска 4 через наклонные стержневые элементы (штанги) 12 также передается на нижний кольцевой диск 3 и далее на ступицу 8. Верхняя ступица 7, установленная в подшипнике на неподвижной башне 10, и нижняя ступица 8 удерживают диски 3 и 4 в горизонтальной плоскости соответственно через гибкие тяги 9 и 6. Тем самым обеспечивается жесткость ротора. Механическая энергия вращения нижней ступицы 8 ротора затем преобразуется в электрическую энергию, поступает в электрическую сеть установки и далее, по подводному кабелю 24, к внешним потребителям.

Фотоэлектрические модули 13 преобразуют энергию падающих на них фотонов солнечного излучения в электрическую энергию, формируют выходное напряжение модуля. Соединение фотоэлектрических модулей в последовательные группы 15 повышает напряжение до требуемого уровня V_dc входного напряжения зависимого инвертора 18. Переменный ток, полученный на выходе инвертора 18, через токопередающий узел (21 и 22) подается в силовые линии 25 электрической сети энергоустановки. Кроме того, с зависимого инвертора 18 осуществляется электропитание приводов поворота лопастей 23, а также заряд аккумуляторной батареи 20 через батарейный инвертор 19, работающий в данном случае в режиме зарядного устройства. При этом параллельное соединение групп фотоэлектрических модулей 15 в батарею фотоэлектрических модулей 17 позволяет достичь требуемой мощности.

Из-за разницы освещенности фотоэлектрических модулей на отдельных гранях 14 в группах фотоэлектрических модулей 15 будут формироваться разные значения напряжения. Согласование по напряжению групп фотоэлектрических модулей 15 производится последовательно включенными устройствами согласования по напряжению 16.

В ночное время электропитание приводов поворота лопастей производится от силовых линий 25 электрической сети энергетической установки через токопередающий узел (21 и 22). В случае отказа электрической сети энергоустановки или отказа токопередающего узла при недостаточной мощности батареи фотоэлектрических модулей, электропитание приводов поворота лопастей производится от аккумуляторной батареи 18 через батарейный инвертор 19, работающий в данном случае в режиме инвертора напряжения. Таким образом, обеспечивается повышенная надежность работы энергоустановки.

Тепло, выделяемое при работе фотоэлектрических модулей 15, эффективно отводится в металл верхнего кольцевого диска 4 на плоских гранях 14, а затем отводится скоростными приповерхностными струями воздуха. Тем самым исключается снижение выходной мощности фотоэлектрических модулей из-за их нагрева.