ВИХРЕВАЯ ВЕТРОУСТАНОВКА Российский патент 1997 года по МПК F03D3/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике, а более конкретно касается создания ветряных двигателей, осуществляющих преобразование энергии воздушного потока.

Предложенное изобретение основано на использовании "вихревого эффекта", который впервые был открыт Ж.Ж.Ранком [1] и применен в промышленности в 30-е годы нашего столетия Меркуловым А.П. [2]
"Вихревой эффект", или эффект Ранка, проявляется в закрученном потоке вязкой сжимаемой жидкости или газа и реализуется в очень простом устройстве, называемом вихревой трубой. Приосевые слои закрученного потока охлаждаются, а периферийные нагреваются. Преобразование свободного вихря в вынужденный вихрь осуществляется в вихревой трубе, очевидно, за счет вязкости и теплопроводности спирально двигающегося газового потока [2]
В настоящее время разработаны различные конструкции ветроустановок, принцип работы которых основан на использовании вихревого эффекта. Так, например, известны вихревые ветроустановки [3, 4, 5] в которых эффективно используется энергия ветра. Набегающий поток воздуха даже при небольшой силе ветра преобразуется с помощью профилированных входных каналов, образованных спиралеобразными направляющими перегородками, закручивается и ускоряется. Таким образом, кинетическая энергия воздушного потока преобразуется в энергию вихря, которая, в свою очередь, преобразуется при помощи ветроколеса в механическую, а затем в электрическую энергию. Наибольшая эффективность преобразования воздушных потоков в вихреобразные закрученные потоки достигается при реализации известных способов [6, 7, 8] формирования закрученных потоков, которые характеризуются профилированием по определенной зависимости криволинейных направляющих, определяющих форму входных каналов ветроустановки.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является известная ветроустановка [9] которая содержит вытяжную башню с кольцевым воздухозаборником у основания, направляющий аппарат, выполненный в виде нескольких сооснорасположенных полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с вертикальными спиралеобразными перегородками, ветроколесо, установленное на выходе направляющего аппарата, и вытяжное приспособление.

Однако данный аналог не обеспечивает достаточно полного преобразования энергии ветра вдоль всей высоты вытяжной башни. Это обусловлено тем, что при увеличении высоты направляющего аппарата и, соответственно, количества входных кольцеобразных каналов направляющего аппарата увеличиваются потери энергии закрученного воздушного потока во внутреннем объеме вытяжной башни из-за увеличения расстояния от преобразователя энергии (ветроколеса) до наиболее удаленных от него входных каналов.

Заявленное изобретение направлено на решение технической задачи, связанной со снижением потерь энергии закрученного воздушного потока по всей высоте вытяжной башни и с возможностью увеличения площадей воздухозаборных устройств за счет модульного их размещения по высоте для более полного использования энергии воздушного потока. Решение данной задачи обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в увеличении энергетической эффективности вихревой ветроустановки и возможности работы от слабого ветра и восходящих тепловых потоков.

Поставленная задача решается за счет того, что вихревая ветроустановка, содержащая вытяжное устройство, корпус, направляющий аппарат, выполненный в виде, по меньшей мере, двух коаксиально установленных в корпусе установки полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с разделяющими вертикальными перегородками, изогнутыми по спирали, и ветроколесо, выполненное в форме тела вращения с жесткими профилированными лопастями и установленное над вытяжным цилиндрическим каналом, образованным внутренними торцами вертикальных профилированных перегородок, согласно заявленному изобретению, снабжена по меньшей мере одним дополнительным направляющим аппаратом и одним дополнительным ветроколесом, при этом радиусы вытяжных цилиндрических каналов каждых двух соседних направляющих аппаратов выбраны в соответствии с условием:
Rn+1в

≥ 1,2Rnв,
где Rnв, Rn+1в максимальные радиусы внутренних цилиндрических каналов верхнего и нижнего соседних направляющих аппаратов соответственно, n порядковый номер направляющего аппарата, считая от основания ветроустановки.

Целесообразно, чтобы в основании нижнего направляющего аппарата был выполнен вертикальный осесимметричный канал эжекции дополнительного потока воздуха. В этом случае внутри канала может быть установлена турбина - преобразователь энергии.

Желательно также, чтобы в основании нижнего направляющего аппарата были выполнены осесимметричные отверстия для использования восходящих тепловых потоков. Для увеличения энергетической эффективности ветроустановки вытяжное устройство может быть выполнено в виде аэродинамического ускорителя, образованного двумя соосными полусферическими элементами, один из которых служит частью корпуса ветроустановки и выполнен перфорированным.

Для снижения уровня низкочастотных акустических колебаний, возникающих при работе ветроустановки, корпус должен быть покрыт шумопоглощающим покрытием. Целесообразно выполнение ветроколеса в форме тела вращения, образующего со стенками корпуса ветроустановки профилированный изоградиентный щелевой диффузор. Для повышения эффективности преобразования механической энергии в электрическую ветроколесо может быть выполнено в виде ротора электрического генератора, статор которого (обмотка) размещен на корпусе ветроустановки.

Целесообразно выполнение направляющих аппаратов с возможностью регулирования проходного сечения входных каналов. В этом случае ветроустановка снабжается системой автоматического управления, в состав которой входят: датчик числа оборотов ветроколеса, блок преобразования сигнала управления и исполнительный механизм перемещения по крайней мере одной горизонтальной стенки каналов направляющих аппаратов.

Вышеуказанное выполнение ветроустановки обусловлено тем, что при модульном выполнении конструкции установки изменяется соотношение расходов воздушных потоков, протекающих через каждый модуль направляющий аппарат по сравнению с выполнением установки с отдельными, не связанными между собой, модулями. Это связано с тем, что в первый (нижний) вихреобразующий модуль поступает воздушный поток с расходом, равным сумме расходов набегающего потока воздуха через вихреобразующие каналы направляющего аппарата и эжектируемого потока воздуха через осесимметричный вертикальный канал, а в каждый расположенный выше него модуль расход воздуха соответственно увеличивается на величину расхода через каналы направляющего аппарата.

Таким образом, для использования всего поступающего в ветроустановку потока воздуха необходимо увеличивать проходное сечение каждого последующего модуля в соответствии с увеличением расхода протекающего через него потока воздуха. Учет данного газодинамического фактора обеспечивает снижение непроизводительных потерь потока воздуха и, следовательно, повышение энергетической эффективности вихревой ветроустановки в целом.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что выполнение данного условия достигается при определенном соотношении максимальных радиусов внутренних цилиндрических каналов соседних (верхнего и нижнего) направляющих аппаратов:
Rn+1в

> Rnв
Под максимальным радиусом внутренних цилиндрических каналов каждого направляющего аппарата понимается радиус канала, имеющего наибольшее поперечное сечение в случае выполнения в направляющем аппарате нескольких коаксиально расположенных вихреобразующих каналов, образованных последовательно расположенными полыми элементами в форме усеченных гиперболоидов вращения. Эффективность преобразования энергии ветра с помощью вихревой ветроустановки, как и любого преобразователя энергии, зависит от стабильности параметров энергоносителя воздушного потока. Эффективность (годовая) использования ветроустановки К_исп. определяется количеством ветреных дней в году и рабочим диапазоном скорости ветра, задаваемым номинальной мощностью используемого электроагрегата
,
где А_год число дней в году;
А_раб число ветреных дней в году с заданной скоростью ветра;
vpв = vнв ± 15% vнв
Δv_в= vmaxв-vminв диапазон скорости ветра;
vpв рабочий диапазон скорости ветра;
vyв номинальное значение скорости ветра, по которой рассчитывается ветроустановка;
vmaxв; vminв предельные значения скорости ветра для ветроустановки.

Расширить функциональный диапазон использования ветроустановки возможно, как это следует из приведенной выше зависимости, только за счет расширения рабочего диапазона скорости ветра vpв

. Использование для этого электронной и механической систем стабилизации частоты вращения ротора позволяет повысить К_исп. не более чем на 15%
Заявленное изобретение позволяет еще более расширить рабочий диапазон скорости ветра за счет использования функциональной зависимости скорости вращения ротора электрогенератора от величины минимальной скорости vminв воздушного потока, при которой начинается вращение ротора, и от размера (высоты) H_эфф входного канала направляющего аппарата. Указанные параметры, vminв и H_эфф, определяют минимальную начальную величину вращающего момента ротора электрогенератора ветроустановки и обеспечивают заданное номинальное число оборотов ротора n_ном:
n_ном= f(vminв; H_эфф)
Таким образом, если при изменении скорости ветра изменять соответственно входное сечение каналов направляющего аппарата за счет изменения H_эфф, то можно обеспечить стабилизацию величины n_ном во всем диапазоне Δv_в. Для этого в заявленном устройстве предусмотрена система автоматического управления, которая осуществляет регулирование размеров сечения входных каналов направляющих аппаратов.

На фиг. 1 изображен направляющий аппарат ветроустановки в разрезе; на фиг. 2 и 3 изображены поперечные разрезы направляющего аппарата; на фиг.4 изображен вид снизу на ветроколесо; на фиг.5 изображен вид сверху на вытяжное устройство ветроустановки; на фиг.6 изображено вытяжное устройство, выполненное в виде аэродинамического ускорителя; на фиг.7 изображена схема вихревой ветроустановки.

Заявленное изобретение может быть осуществлено в соответствии со следующим примером его реализации. Вихревая ветроустановка состоит (см. фиг.1-7) из корпуса, двух направляющих аппаратов, последовательно установленных один над другим. Каждый из направляющих аппаратов выполнен в виде нескольких коаксиально установленных полых элементов 1 в форме усеченных гиперболоидов вращения, между которыми размещены вертикальные перегородки 2, изогнутые в форме спирали. Стенки полых элементов 1 и перегородок 2 образуют спиральные вихреобразующие каналы направляющих аппаратов (на фиг.7 для упрощения схемы ветроустановки показано только по одному полому элементу 1 в каждом направляющем аппарате). Внутренние торцы вертикальных профилированных перегородок 2 образуют вытяжные цилиндрические каналы 3, над которыми в каждом направляющем аппарате устанавливаются ветроколеса 4. Каждое ветроколесо 4 выполняется в форме тела вращения, образующего с внутренней стенкой корпуса, частью которого является наружный полый элемент 1, профилированный щелевой диффузор (см. фиг.1). На поверхности каждого ветроколеса 4 устанавливаются жесткие профилированные лопасти 5. Над верхним ветроколесом 5 размещается вытяжное устройство 6, служащее для отсоса отработанного потока воздуха. Вытяжное устройство 6 может выполняться в форме сегмента (чаши) с заданными размерами (см. фиг.1). Наиболее предпочтительно выполнение вытяжного устройства в виде аэродинамического ускорителя, образованного двумя соосными полусферическими элементами 7. Нижний полусферический элемент является частью корпуса ветроустановки, и в нем выполнены отверстия 8, через которые производится отсос воздуха из внутреннего канала установки за верхним ветроколесом 4. Отсос воздуха производится за счет разрежения в области между полусферическими элементами 7, возникающего в результате ускорения в данной области набегающего воздушного потока.

В основании 9 нижнего направляющего аппарата, частью которого является полый элемент 1, являющийся стенкой вихреобразующих каналов, выполнен вертикальный осесимметричный канал 10 эжекции дополнительного потока воздуха. Для повышения эффективности использования энергии эжектируемого потока воздуха в канале 10 устанавливается турбина 11. Само основание 9 направляющего аппарата выполняется перфорированным с массивом осесимметричных отверстий 12. Данное выполнение основания 9 нижнего направляющего аппарата позволяет использовать энергию восходящих тепловых воздушных потоков.

Совокупность входных каналов направляющих аппаратов образует общий для всей ветроустановки воздухозаборник.

Для снижения уровня акустических колебаний, возникающих при работе ветроустановки, корпус покрывается шумопоглощающим покрытием 13.

Отдельные направляющие аппараты 14 устанавливаются на общем основании - ферме, которая выполняется в виде трубы 15 (см. фиг.7). Ветроколеса 4 и турбины 11 каждого направляющего аппарата устанавливаются на общем валу ротора электрогенератора 16. Возможно использование нескольких электрогенераторов для автономного преобразования энергии в каждом направляющем аппарате.

Наиболее предпочтительно выполнение каждого ветроколеса 4 и турбины 11 в виде ротора электрогенератора, статор которого (обмотка) размещается на внешней стенке корпуса ветроустановки (не показано). Конструирование ветроколеса ротора и статора в этом случае осуществляется в соответствии с известными требованиями, предъявляемыми к синхронным электрическим машинам (см. [10]).

Для упрощения конструкции и повышения надежности работы ротор в указанном варианте исполнения снабжается постоянными магнитами, расположенными по окружности на внешней кромке ветроколеса. Таким образом, ветроколесо и электрогенератор выполняются в виде единого узла, в котором отсутствует приводной вал. В этом случае снижается минимальный момент трения ветроколеса установки и, следовательно, снижается минимальное предельное значение скорости ветра, при которой может работать ветроустановка.

Кроме того, ветроустановка содержит автоматическую систему управления (не показано), в состав которой входят датчики числа оборотов, установленные на каждом ветроколесе-ротора (или на общем приводном валу при использовании одного электрогенератора), блок преобразования сигналов управления, соединенные с датчиками, и исполнительные механизмы перемещения полых элементов 1 и оснований 9 направляющих аппаратов. Основания 9, образующие вихревые каналы (см. фиг.1 и 7), и остальные полые элементы 1 выполнены с возможностью вертикального перемещения и соединены с исполнительными механизмами системы автоматического управления. Работа вихревой ветроустановки осуществляется следующим образом. Набегающий воздушный поток (ветер) поступает во входные каналы направляющих аппаратов, установленных последовательно по высоте несущей фермы-трубы 15. Ввиду того, что каналы, образованные полыми элементами 1 и вертикальными перегородками 2 заданного профиля, имеют форму спирали и сужаются по мере приближения к оси симметрии каждого направляющего аппарата, происходит закрутка отдельных струй воздушного потока и образование единого вихря на выходе из отдельных направляющих каналов в вытяжных цилиндрических каналах 3. В образованный вихревой воздушный поток эжектируются дополнительные потоки воздуха через канал 10 и через отверстия 12, выполненные в основаниях 9 направляющих аппаратов. Эжекция осуществляется за счет разрежения (снижения статического давления), создаваемого в вытяжных цилиндрических каналах 3. Выполнение каналов 10 и отверстий 12 в направляющих аппаратах позволяет использовать энергию восходящих тепловых воздушных потоков для образования вихревых потоков, энергия которых преобразуется в электрическую энергию. Преобразование осуществляется с помощью ветроколеса 10 и турбины 11, установленных в каждом направляющем аппарате и приводимых во вращение образованным в спиралеобразных каналах вихревым воздушным потоком.

Отработанный в системе преобразования энергии нижнего направляющего аппарата поток воздуха поступает в канал 10 эжекции, расположенный выше модуля направляющего аппарата (см. фиг.7) и так далее до вытяжного устройства. В вытяжном устройстве отработанный воздушный поток эжектируется через отверстия 8, выполненные в корпусе, с помощью аэродинамического ускорителя, образованного двумя соосными полусферическими элементами 7, в котором в качестве активной среды используется набегающий воздушный поток (ветер). В случае использования одного электрогенератора 16 крутящие моменты от каждого ветроколеса 4 и турбины 1 передают на общий приводной вал, на котором установлен ротор генератора 16. При автономном выполнении модулей-направляющих аппаратов используются ветроколеса и турбины, служащие ротором электрических машин. В этом случае преобразование энергии происходит в каждом отдельном модуле без использования приводного вала. Кроме того, в этом случае упрощается конструкция ветроустановки и уменьшается минимальный момент трения ротора в каждом направляющем аппарате. Таким образом, вихревая ветроустановка становится способной работать при низких уровнях скорости ветра.

В процессе работы ветроустановки скорость вращения ротора контролируется датчиком числа оборотов, установленным на общем приводном валу (или на каждом роторе). При изменении скорости ветра, и, следовательно, изменении числа оборотов ротора генератора по сигналу, получаемому от соответствующего датчика, начинает работать система автоматического управления установки. Сигнал от датчика числа оборотов ротора поступает в блок преобразования сигнала, где происходит его преобразование и вырабатывается управляющий сигнал, передаваемый в исполнительный механизм (не показаны). В результате происходит управляемое перемещение полых элементов 1 и оснований 9, образующих вихреобразующие каналы в соответствующем направляющем аппарате. Перемещение осуществляется в вертикальном направлении с помощью исполнительного механизма, выполняемого, преимущественно, в виде электромеханического агрегата.

Таким образом, в зависимости от величины отклонения числа оборотов ротора от номинального рабочего диапазона производится регулирование проходных сечений вихреобразующих каналов, от размеров которых зависит расход потока воздуха, протекающего через направляющий аппарат, что в конечном итоге определяет величину числа оборотов ветроколеса-ротора. Так, например, при снижении числа оборотов ниже номинального диапазона система автоматического управления вырабатывает управляющее воздействие, осуществляемое исполнительным механизмом, в результате которого увеличиваются (или уменьшаются) расстояния между стенками вихреобразующих каналов и, следовательно, увеличивается (уменьшается) поперечное сечение входных каналов направляющего аппарата. В конечном итоге в результате производимого регулирования увеличивается (уменьшается) расход поступающего в вытяжные цилиндрические каналы 3 потока воздуха и повышается (понижается) скорость вращения ветроколеса-ротора до номинального диапазона значений.

Таким образом, вихревая ветроустановка способна автоматически подстраиваться под реальную скорость набегающего воздушного потока при расчетных значениях числа оборотов ротора электрогенератора, что обеспечивает преобразование энергии с высокой эффективностью при более широком диапазоне скоростей ветра.

Для существующих в настоящее время ветроустановок рабочий диапазон скоростей ветра составляет от vminв

≈ (6-15) м/с до vmaxв ≈(20-25) м/с. Заявленная вихревая ветроустановка за счет, в первую очередь, модульного построения направляющих аппаратов, при условии согласования их по расходу потоков воздуха, возможности использования восходящих тепловых воздушных потоков и автоматического регулирования проходного сечения направляющих аппаратов, позволяет расширить рабочий диапазон скоростей ветра от vminв ≈(2-3) м/с до vmaxв ≈ 40 м/с и повысить коэффициент использования ветра.

Изобретение может быть использовано в ветроэнергетике при создании ветроустановок, осуществляющих преобразование энергии воздушного потока. Изобретение может использоваться для преобразования энергии восходящих тепловых воздушных потоков и малых ветров. Вихревая ветроустановка может применяться на местности, где преимущественно скорость ветра не велика и не стационарна во времени.

Источники информации
1. Патент Франции N 743111, кл. K 85 F, 4, приоритет 1931 г. публикация 1933 г.

2. А. П. Меркулов, Вихревой эффект и его применение в технике, М. Машиностроение, 1969 г. с. 7-11, 22-37.

3. Патент Великобритании N 2 081 390, кл. F 03 D, 3/04, F 03 C 7/02, публикация 1982 г.

4. Авторское свидетельство СССР N 1539382, кл. F 03 D 3/04, публикация 1982 г.

5. Авторское свидетельство СССР N 1657723, кл. F 03 D 3/04, публикация 1991 г.

6. Авторское свидетельство СССР N 1779283, кл. F 16 D 1/08, публикация 1992 г.

7. Патент РФ N 2002128, кл. F 15 D 1/08, публикация 1993 г.

8. Патент РФ N 2002981, кл. F 15 D 1/00, публикация 1993 г.

9. Заявка на выдачу патента РФ на изобретение N 92-015707, кл. F 03 D 5/00, публикация 27.01.95 г. (бюллетень N 03).

10. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины, М. Энергия, 1980 г. с. 490-696.

Использование: относится к ветроэнергетике, а более конкретно касается создания ветряных установок, осуществляющих преобразование энергии воздушного потока. Сущность изобретения: вихревая ветроустановка содержит корпус, вытяжное устройство, направляющие аппараты, каждый из которых выполнен в виде по крайней мере двух коаксиально установленных в корпусе полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с разделяющими вертикальными перегородками, изогнутыми по оси спирали, и ветроколеса, выполненного в форме тела вращения с жесткими профилированными лопастями и установленного над вытяжными цилиндрическими каналами, образованными внутренними торцами вертикальных профилированных перегородок каждого направляющего аппарата. Радиусы вытяжных цилиндрических каналов каждой пары соседних направляющих аппаратов выбираются в соответствии с установленной зависимостью, при использовании которой снижаются потери энергии воздушного потока внутри ветроустановки. Ветроустановка может содержать автоматическую систему управления, с помощью которой производится регулирование размеров проходных сечений каналов направляющих аппаратов, а соответственно, и числа оборотов ротора электрогенератора. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Вихревая ветроустановка, содержащая корпус, вытяжное устройство, направляющий аппарат, выполненный в виде по меньшей мере двух коаксиально установленных в корпусе установки полых элементов в форме усеченных гиперболоидов вращения с разделяющими вертикальными перегородками, изогнутыми по спирали, и ветроколесо, выполненное в форме тела вращения с жесткими профилированными лопастями и установленное над вытяжным цилиндрическим каналом, образованным внутренними торцами вертикальных профилированных перегородок, отличающаяся тем, что снабжена по меньшей мере одним дополнительным направляющим аппаратом и одним дополнительным ветроколесом, при этом радиусы вытяжных цилиндрических каналов каждых двух соседних направляющих аппаратов выбраны в соответствии с условием
Rn+1в

≥ 1,2Rnв,
где Rn+1в и Rnв - максимальные радиусы внутренних цилиндрических каналов верхнего и нижнего соседних направляющих аппаратов соответственно;
n порядковый номер направляющего аппарата, считая от основания ветроустановки. 2. Ветроустановка по п.1, отличающаяся тем, что в основании нижнего направляющего аппарата выполнен вертикальный осесимметричный канал эжекции дополнительного потока воздуха. 3. Ветроустановка по п.2, отличающаяся тем, что внутри канала установлена турбина-преобразователь энергии. 4. Ветроустановка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что в основании нижнего направляющего аппарата выполнены осесимметричные отверстия. 5. Ветроустановка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что вытяжное устройство выполнено в виде аэродинамического ускорителя, образованного двумя соосными полусферическими элементами, один из которых служит частью корпуса и выполнен перфорированным. 6. Ветроустановка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что корпус покрыт шумопоглощающим покрытием. 7. Ветроустановка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что ветроколесо выполнено в форме тела вращения, образующего с внутренними стенками корпуса профилированный изоградиентный щелевой диффузор. 8. Ветроустановка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что вертоколесо выполнено в виде ротора электрогенератора, статор которого (обмотка) размещен на корпусе установки. 9. Ветроустановка по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что направляющие аппараты выполнены с возможностью регулирования проходного сечения входных каналов. 10. Ветроустановка по п.9, отличающаяся тем, что она снабжена автоматической системой управления, в состав которой входит датчик числа оборотов ветроколеса, блок преобразования сигналов управления и исполнительные механизмы перемещения по крайней мере одной горизонтальной стенки каналов направляющих аппаратов.