ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА НАПОРНО-ВЫТЯЖНОГО ДЕЙСТВИЯ С СИСТЕМОЙ МЕСТНОГО ФОРСИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ВЕТРА Российский патент 1998 года по МПК F03D3/04 

Изобретение относится к ветроэнергетике и может быть использовано в качестве установки, вырабатывающей электроэнергию с использованием энергии ветра.

Общеизвестные ветроэнергетические установки (далее по тексту ВЭУ), как действующие так и существующие в проектах, основаны на одном общем принципе: ветроприемное устройство, чаще всего ветровое колесо, улавливает ветер и передает крутящий момент через вал и передаточный механизм на генератор, вырабатывающий электроэнергию.

Так как плотность энергии потока ветра весьма незначительна, конструкторы, желая получить большую мощность, предусматривают огромных размеров ветровые колеса. Например проект ВЭУ мощностью 50 тыс. кВт имеет вращающуюся часть поистине циклопических размеров ("Наука и жизнь", N 7, 1989 г. с.19). Проект ВЭУ мощностью 0,6 5 МВт (прототип) имеет диаметр ветровых колес 30 70 м ("Наука и жизнь" N 2, 1989 г. с.12).

Совершенно очевидно, что ВЭУ с ветровыми колесами таких размеров не смогут полностью использовать мощь воздушного потока, т.к. при большой скорости вращения возрастают силы инерции, а против резких порывов ветра они беззащитны и небезопасны для окружающих. Большие трудности возникают при ориентировании крупных ВЭУ по направлению действия ветра. Мощность ВЭУ зависит от скорости ветра в данный момент и отсутствует возможность каким-либо образом ее регулировать. Отмечен и экологический вред крупных ВЭУ: при вращении лопастей в воздушном потоке возникают колебания воздуха высокой частоты (ультразвук) приводящие к массовой гибели насекомых в районе нахождения ВЭУ.

Предлагаемая конструкция ВЭУ напорно-вытяжного действия с системой местного форсирования скорости ветра состоит из ветрового колеса, вала и генератора, причем ветровое колесо расположено в сопле, заключенном в звукопоглощающую камеру корпуса вытяжной трубы, на которую сверху установлена рабочая насадка, находящаяся между форсирующими насадками, и имеются регулировочно-предохранительные клапаны, а в нижней части находится напорная камера, за которой расположены ветроприемник с направляющими лопатками, с внутренними и внешними шторками, перед которым имеются направляющие форсирующие плоскости.

На фиг. 1 изображен ВЭУ в разрезе, с местным видом, показано внутреннее строение ВЭУ, стрелками показано направление ветра и схема движения возникающего в вытяжной трубе напорно-вытяжного потока воздуха; на фиг. 2 - разрез А А на фиг. 1, где показана форма направляющих форсирующих плоскостей.

Основой ВЭУ напорно-вытяжного действия с системой местного форсирования скорости ветра является вытяжная труба 1, внутренняя поверхность которой выполняется из материала с минимальной шероховатостью с целью уменьшения потерь на трение по длине трубы при движении воздушного потока.

Внутренняя поверхность вытяжной трубы 1 имеет переменное сечение с плавными переходами и закруглениями для уменьшения местных сопротивлений и ликвидации завихрений воздушного потока.

Самое узкое место сечения сопло 2, в котором располагается ветровое колесо 3 на валу 4, соединяющим его с генератором 5. Полость, получающаяся при образовании сопла 2, заключенная между внешней и внутренней поверхностью вытяжной трубы 1, является звукопоглощающей камерой 6, внутренняя поверхность которой покрывается звукопоглощающим материалом, т.к. при больших скоростях воздушного потока в сопле 2 возникают акустические явления.

Верхняя часть вытяжной трубы 1 заканчивается рабочей насадкой 7, которая находится между форсирующими насадками 8, здесь же расположены регулировочно-предохранительные клапаны 9, которые регулируют объем воздуха, проходящий через вытяжную трубу 1.

В нижней части вытяжной трубы 1 за соплом 2 расположен ветроприемник 10, рабочим органом которого являются направляющие лопатки 11, направляющие поток ветра в напорную камеру 12.

Подвижные шторки 13: наружные и внутренние независимо друг от друга передвигаются по наружной и внутренней поверхности ветроприемника 10.

Перед ветроприемником 10 находятся направляющие форсирующие плоскости 14.

Работа рабочей насадки 7 основана на использовании энергии потока воздуха-ветра, который, ударяясь о поверхность насадки и обтекая ее, создает возле большей части ее периметра разрежение, что в свою очередь создает разрежение в уровне выхода воздуха из вытяжной трубы 1. В результате в верхней части вытяжной трубы 1 возникает вытяжной поток воздуха, направленный вверх, а воздух в вытяжную трубу 1 поступает через сопло 2.

Форсирующие насадки 8 предназначены для увеличения скорости ветра, воздействующего на рабочую насадку 7. Действуют они следующим образом: при набегании ветра на форсирующую насадку 8 вокруг нее и за ней создается зона с пониженным давлением воздуха. В пространстве между двумя форсирующими насадками 8 эти зоны от каждой насадки накладываются друг на друга и образуют своего рода воздушную воронку, в которой пониженное давление воздуха и в которую ветер затягивается с особенной силой, что сопровождается местным резким повышением скорости ветра, воздействующего на рабочую насадку 7.

Объем-масса вытягиваемого воздуха определяется производительностью рабочей насадки 7, эффективностью работы форсирующих насадок 8, которая в свою очередь зависит от их формы, размеров и величины создаваемого ими разрежения для данной скорости ветра.

Объем-масса вытягиваемого воздуха регулируется регулировочно-предохранительными клапанами 9, которые открываются при больших скоростях ветра, чем дают возможность поступать через них в вытяжную трубу 1 наружному воздуху, вследствие чего скорость потока воздуха в сопле 2 уменьшится.

Ветроприемник 10 в нижней части вытяжной трубы 1 использует наоборот положительное давление ветра: направляющими лопатками 11 направляет набегающий поток ветра в напорную камеру 12, в которой динамическое давление ветра преобразуется в статическое давление воздуха, вследствие чего в напорной камере 12 создается напорное давление и соответственно напорный поток воздуха, направленный в сопло 2.

Форсирующие направляющие плоскости 14 предназначены для увеличения скорости ветра, воздействующего на ветроприемник 10. Принцип их действия аналогичен действию форсирующих насадок 8: при набегании потока ветра на лобовую часть направляющей плоскости 14, за ней образуется зона разрежения. В пространстве между двумя соседними направляющими плоскостями 14 зоны разрежения от каждой направляющей плоскости 14 накладываются друг над друга и создают воздушную воронку, в которой пониженное давление воздуха и в которую с ускорением затягивается набегающий поток ветра, вследствие чего и возникает местное повышение скорости ветра, воздействующего на ветроприемник 10. Это в конечном итоге приводит к увеличению скорости и объема поступающего воздуха в напорную камеру 12 и возникновению в ней более высокого статического давления по сравнению с тем, если бы направляющих форсирующих плоскостей 14 не было.

Подвижные шторки 13, передвигаясь по наружной и внутренней поверхности ветроприемника 10, перекрывают подветренное направление, а при необходимости и наветренное, регулируя тем самым скорость воздушного потока в сопле 2, а наружные защищают ветроприемник 10 от заноса снегом в зимнее время.

Таким образом, в вытяжной трубе 1 возникают независимо друг от друга два воздушных потока: напорный и вытяжной, которые, суммируясь, создают в вытяжной трубе 1 напорно-вытяжной поток воздуха, перемещающий по вытяжной трубе 1 определенный объем-массу воздуха.

Объем-масса перемещаемого воздуха зависит от следующих факторов: диаметра вытяжной трубы 1, величины возникающего давления напора в напорной камере 12 и давления разрежения в рабочей насадке 7, которые в свою очередь зависят от скорости ветра, эффективности работы системы местного форсирования скорости ветра, состоящей из форсирующих насадок 8 и направляющих форсирующих плоскостей 14, а также от степени стеснения напорно-вытяжного потока воздуха соплом 2, местных сопротивлений, соотношения диаметра сопла 2 и ветрового колеса 3.

Объем-масса воздуха, перемещаемая за единицу времени в любом месте вытяжной трубы 1, величина постоянная и определяется произведением площади сечения вытяжной трубы 1 в данном месте на скорость напорно-вытяжного потока воздуха в данном месте.

Следовательно, в сопле 2 самом узком месте сечения, скорость напорно-вытяжного потока воздуха будет максимальной, величина ее будет находиться в прямой пропорциональной зависимости от объема-массы воздуха перемещаемого за единицу времени через вытяжную трубу 1. Соответственно и кинетическая энергия напорно-вытяжного потока воздуха в сопле 2 достигнет своего максимума, что и определяет самое выгодное место расположения ветрового колеса 3, использующего кинетическую энергию напорно-вытяжного потока воздуха для своего вращения.

Крутящий момент от ветрового колеса 3 через вал 4 и передаточный механизм передается на генератор 5, вырабатывающий электроэнергию.

Преимущества предлагаемой конструкции ВЭУ напорно-вытяжного действия с системой местного форсирования скорости ветра заключаются в следующем:
сочетается возможность использовать энергию ветрового потока с большой площади и в то же время существенно уменьшить размеры ветрового колеса;
конструкция ВЭУ статична и кроме ветрового колеса отсутствуют движущиеся части, что повышает надежность работы ВЭУ;
система местного форсирования скорости ветра позволяет в 5 10 раз усиливать воздействие ветра;
независимость действия ВЭУ от направления ветра;
возможность использовать энергию ветра с больших высот, где ветры сильнее и стабильнее;
ветровое колесо и генератор расположены внутри корпуса ВЭУ, что удобно для их обслуживания и ремонта;
имеется конструктивная возможность создания простой и эффективной системы регулировочно-предохранительных клапанов и передвижных шторок предохраняющей ветровое колесо от чрезвычайно высоких скоростей ветра;
так как ветровое колесо находится внутри корпуса ВЭУ, направление воздушного потока в нем постоянно а скорость его регулируется, то становится легче локализовать возникающие акустические явления, что важно с экологической точки зрения.

По оценке автора, ВЭУ напорно-вытяжного действия с системой местного форсирования скорости ветра высотой 250 м, диаметром вытяжной трубы 1 30 м, при скорости ветра 2 3 м/с даст мощность на клеммах генератора 2500 3000 кВт. Диаметр ветрового колеса 3 при этом составит 5 м, диаметр сопла 2 6 м, скорость напорно-вытяжного потока воздуха в сопле 2 порядка 100 м/с.

ВЭУ-прототип при диаметре ветровых колес 70 м, и скорости ветра 2 м/с даст мощность 10 кВт.

Использование: в ветроэнергетике и может быть использовано в качестве установки вырабатывающей электроэнергию с использованием энергии ветра. Сущность изобретения: ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия с системой местного форсирования скорости ветра состоит из ветрового колеса, вала и генератора, причем ветровое колесо расположено в сопле, заключенном в звукопоглощающую камеру корпуса вытяжной трубы, на которую сверху установлена рабочая насадка, находящаяся между формирующими насадками, и имеются регулировочно-предохранительные клапаны, а в нижней части находится напорная камера, за которой расположен ветроприемник с направляющими лопатками, с внутренними и внешними шторками, перед которым имеются направляющие форсирующие плоскости. 2 ил.

Ветроэнергетическая установка напорно-вытяжного действия с системой местного форсирования скорости ветра, состоящая из ветрового колеса, вала и генератора, отличающаяся тем, что ветровое колесо расположено в сопле, заключенном в звукопоглощающую камеру корпуса вытяжной трубы, на которую сверху установлена рабочая насадка, находящаяся между форсирующими насадками, и имеются регулировочно-предохранительные клапаны, а в нижней части находится напорная камера, за которой расположен ветроприемник с направляющими лопатками, с внешними и внутренними шторками, перед которым имеются направляющие форсирующие плоскости.