ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК F03D1/04 F03D3/04 

Изобретение относится к области ветроэнергетики, а именно к силовым установкам.

Известны ветроэнергетические установки (ВЭУ) (см., например, патент РФ N 2018028, кл. F 03 D 1/00, авт.св. СССР N 1682621, 1560781, 1471709, 1242636, кл. F 03 D 1/00, патент Германии N 2932293, кл. F 03 D 1/02), содержащие башню (мачту), одно или несколько самоустанавливающихся ветроколес, генератор, установленный непосредственно у ветроколеса на одной оси с ним и передающее соединение при использовании генератора, установленного у основания башни.

Недостатком рассмотренных ВЭУ является относительно невысокий КПД.

Известна ветросиловая установка (см. патент Германии N 3604448, кл. F 03 D 1/02 - прототип), содержащая несущую опору (башню), установленную подвижно на основании, воздуховод, верхняя и нижняя оконечности которого выполнены с изгибом в противоположные стороны в горизонтальном направлении; установленную в средней части полости воздуховода на валу генератора турбину, включающую одно или несколько ветроколес и направляющих аппаратов. Генератор установлен внутри основания.

Недостатком рассмотренной ветросиловой установки является также относительно невысокий КПД в связи с большими потерями энергии на входе и выходе воздуховода и соответственно небольшим перепадом давлений, а также в связи с значительными динамическими нагрузками на генератор.

Задачей предлагаемых технический решений является повышение КПД ветроэнергетической установки за счет увеличения удельной энергии потока и значительного уменьшения динамических нагрузок на генератор.

Вариант 1. Поставленная задача достигается тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей полую башню с выходным отверстием в нижней части и генератор, установленные на основании, воздуховод, нижней частью размещенный в полости башни, два ветроколеса, одно из которых установлено на валу генератора с возможностью аэродинамического взаимодействия с другим ветроколесом, направляющий аппарат, предлагается другое ветроколесо выполнить диаметром больше диаметра воздуховода и установить свободно, снаружи его, на валу направляющего аппарата, закрепленного на входе воздуховода.

Вариант 2. Поставленная задача достигается также тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей полую башню с выходным отверстием в нижней части и генератор, установленные на основании, воздуховод, нижней частью размещенный в полости башни, три ветроколеса, одно из которых установлено на валу генератора и направляющий аппарат, предлагается воздуховод выполнить Т-образной формы, при этом на одном конце его верхней части, снаружи на оси, закрепленной в опоре, установить приводное ветроколесо, диаметр которого больше диаметра воздуховода, на другом конце верхней части воздуховода, в его полости, на той же оси закрепить направляющий аппарат и вентиляторное ветроколесо с возможностью его аэродинамического взаимодействия с ветроколесом, установленным на валу генератора.

Вариант 3. Поставленная задача достигается также, тем, что в ветроэнергетической установке, содержащей полую башню с выходным отверстием в нижней части и генератор, установленные на основании, воздуховод, нижней частью размещенный в полости башни, три ветроколеса, одно из которых установлено на валу генератора с возможностью аэродинамического взаимодействия с другими ветроколесами и два направляющих аппарата, предлагается воздуховод выполнить Т-образной формы, при этом верхнюю его часть снабдить дополнительным внутренним воздуховодом конической формы и одним концом закрепить совместно с первым направляющим аппаратом на одном его входе. На оси первого направляющего аппарата, снаружи, свободно, диаметром больше диаметра воздуховода, установить второе ветроколесо. На одной оси со вторым направляющим аппаратом, закрепленным в полости другого конца дополнительного внутреннего воздуховода, свободно, внутри полости со стороны другого входа воздуховода, установить третье ветроколесо.

Кроме того, в ВЭУ полая башня может быть установлена на основании подвижно, а воздуховод может быть закреплен в полости башни (вариант 1) или установлен в ней с возможностью вращения (в любом варианте), ВЭУ могут быть снабжены дополнительным изогнутым выходным воздуховодом, установленным концентрично, например, относительно поверхности полости башни и воздуховода.

На фиг. 1 и 3 представлен общий вид ВЭУ (вариант 1); на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1; на фиг. 4 - сечение А-А фиг. 3; на фиг. 5 - сечение В-В на фиг. 3; на фиг. 6 - общий вид ВЭУ (вариант 2); на фиг. 7 - сечение А-А на фиг. 6; на фиг. 8 - вариант размещения свободного и приводного ветроколес ВЭУ на фиг. 6; на фиг. 9 - общий вид ВЭУ (вариант 3).

ВЭУ (вариант 1, фиг. 1 - 5) содержит полую башню 1 с выходным отверстием в нижней части и генератор 2, установленные на основании. В полости башни 1 размещен воздуховод 2. На его входе закреплен направляющий аппарат 4 (сечение фиг. 2, 4). На валу аппарата 4, снаружи воздуховода 3, свободно закреплено ветроколесо 5, диаметр которого больше диаметра воздуховода 3. На валу генератор 2 установлено ветроколесо 6 с возможностью аэродинамического взаимодействия с ветроколесом 5. При этом могут быть предусмотрены следующие конструктивные различия в данном варианте. Полая башня 1 может быть установлена подвижно в опорах 7 на основании, воздуховод 3 может быть установлен в полости башни 1 с возможностью вращения в опорах 8. Полая башня 1 может иметь одно выходное отверстие или несколько, выполненных по ее периметру. Ветроколесо 6 может быть размещено непосредственно в выходном отверстии воздуховода 3 (фиг. 3) или внутри воздуховода 3, в конце его прямолинейной части (фиг. 1).

Ветроэнергетическая установка (вариант 2, фиг. 6-7) содержит полую башню 1 с выходным отверстием в нижней части и генератор 2, установленные на основании. Воздуховод 3 выполнен Т-образной формы, нижней частью размещен в полости башни 1 и закреплен с возможностью вращения. На одной стороне верхней части воздуховода 3 закреплена опора 4. На ее оси снаружи, свободно закреплено второе ветроколесо 5 диаметром больше диаметра верхней части воздуховода 3. На валу генератора 2 установлено первое ветроколесо 6.

ВЭУ снабжена дополнительным изогнутым выходным воздуховодом 9, установленным концентрично, например, относительно поверхности полости башни 1 и воздуховода 3. Выход полой башни 1 может быть выполнен в виде одного отверстия или нескольких выполненных по ее периметру (см. фиг. 5). На оси опоры 4 и ветроколеса 5 в полости входа другой стороны верхней части воздуховода 3 установлено вентиляторное ветроколесо 10, а перед ним закреплен второй направляющий аппарат 11 (сечение фиг. 7). На одной оси со свободным ветроколесом 5 (либо перед ним, либо после него) установлено приводное ветроколесо 12 (см. фиг. 6, 7).

Ветроэнергетическая установка (вариант 3, фиг. 9) содержит полую башню 1 с выходными отверстиями в нижней части и генератор 2, установленные на основании. Воздуховод 3 выполнен Т-образной формы и нижней частью размещен в полости башни 1 с возможностью вращения. В полости одного конца верхней части воздуховода 3 закреплен первый направляющий аппарат 4. На оси направляющего аппарата 4, снаружи установлено свободное ветроколесо 5, диаметром больше, чем диаметр верхней части воздуховода 3. На валу генератора 2 установлено ветроколесо 6. Внутри полости другого входа верхней части воздуховода 3 установлены вентиляторное колесо 10 и второй направляющий аппарат 11, закрепленный в дополнительном воздуховоде 13, размещенном в верхней части воздуховода 3 и имеющем коническую форму. Причем большим диаметром дополнительный воздуховод 13 закреплен совместно с первым направляющим аппаратом 4 на входе в воздуховод 3.

Ветроэнергетическая установка (вариант 1, фиг. 1-5) работает следующим образом.

Под давлением ветра, например, с помощью аэродинамической плоскости воздуховод 3 разворачивается параллельно потоку, если он закреплен в башне 1 с возможностью вращения (фиг. 3) или он разворачивается вместе с башней 1 (фиг. 1), если она закреплена с возможностью вращения. Поток ветра раскручивает ветроколесо 5, которое своей привтулочной частью, например, вентилирует (отсасывает) воздушный поток через направляющий аппарат 4. Принудительное вентилирование создает превосходящий перепад давления по сравнению с динамическим давлением ветра на ветроколесо 6, на которое снизу также натекает воздушный поток, вошедший в нижнюю оконечность воздуховода непосредственно или через проемы в башне 1 (фиг. 5), сообщающие ее полость и конечность воздуховода 3 с наружной средой. Ветроколесо 6 раскручивает приводной вал генератора 2, преобразующий вращение в электроэнергию для потребителя.

Ветроэнергетическая установка (вариант 2, фиг. 6 - 8) работает следующим образом.

Поток ветра разворачивает воздуховод 3, закрепленный в башне 1 с возможностью вращения, параллельно потоку ветра. Разворот может происходить как с помощью аэродинамической плоскости, так и за счет несимметричности выполнения верхней части T-образного воздуховода 3. Воздушный поток раскручивает ветроколесо 5 свободного вращения, которое своей привтулочной частью создает подпор давления перед приводным ветроколесом 12, раскручивая его. Ветроколесо 12 приводит во вращение установленное на одной с ним оси вентиляторное колесо 10, на которое также с другой стороны воздействует набегающий воздушный поток, который через направляющий аппарат 11 воздействует на ветроколесо 6. Таким образом, в нижнюю часть воздуховода поступает поток, имеющий высокое давление. Полученный воздушный поток вращает ветроколесо 6 с повышенной частотой и мощностью (при относительно небольших его размерах) и приводит в действие генератор 2. Перестановка ветроколес 5 и 12 (фиг. 8) создает избыточное разрежение, что также приводит к улучшению аэродинамического взаимодействия с другими ветроколесами установки.

Ветроэнергетическая установка (вариант 3, фиг. 9) работает следующим образом.

Поток ветра разворачивает воздуховод 3, закрепленный в башне 1 с возможностью вращения, параллельно потоку ветра. Поток ветра раскручивает свободно установленные ветроколеса 5 и 10. Ветроколесо 5 своей привтулочной частью (например) вентилирует (отсасывает) воздушный поток из полости дополнительного воздуховода 13. Принудительное вентилирование ветроколесом 5 создает разрежение за привтулочной частью 10. Благодаря этому разрежению и динамическому напору ветра ветроколесо 10 раскручивается. При этом его периферийная часть вентилирует с избыточным давлением воздушный поток в конструктивно образованный диаметральный зазор (между поверхностью верхней части воздуховода 3 и поверхностью дополнительного воздуховода 13), образующий единичную часть с воздуховодом 3. Сформированный таким образом поток высокой энергии в воздуховоде 3 башни 1 раскручивает ветроколесо 6 на приводном валу генератора 2, а затем выходит наружу из нижней оконечности воздуховода и проемы в башне 1.

Ветроэнергетические установки предлагаемой конструкции могут быть представлены типорядом по мощности и размерам в зависимости от энергетической потребности и климатических условий эксплуатации, т.е. не подвергаются обледенению и работают даже от слабых ветров, благодаря конструкции установки в целом и заделке ветроколес в воздухоприемнике, в частности.

Ветроэнергетическая установка предназначена для получения электроэнергии при использовании энергии ветра. В полости башни 1 с выходным отверстием в нижней части размещен воздуховод 3. На его входе закреплен направляющий аппарат 4. На валу аппарата 4, снаружи воздуховода 3, свободно закреплено ветроколесо 5, диаметр которого больше диаметра воздуховода 3. На валу генератора 2 установлено ветроколесо с возможностью аэродинамического взаимодействия с ветроколесом 5. Описаны еще два варианта ветроэнергетических установок. Во втором варианте на валу аппарата 4 снаружи свободно закреплено ветроколесо 5 диаметром больше диаметра воздуховода 3. На валу аппарата 4 в полости входа с другой стороны воздуховода 3 установлено вентиляторное ветроколесо 10, а перед ним закреплен второй направляющий аппарат 11. На одном валу со свободным ветроколесом 5 установлено приводное ветроколесо 12. За счет установки нескольких ветроколес с возможностью их аэродинамического взаимодействия увеличивается удельная энергия потока и повышается КПД установки. 3 с. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Ветроэнергетическая установка, содержащая полую башню с выходным отверстием в нижней части и генератор, установленные на основании, воздуховод, размещенный в полости башни, два ветроколеса, одно из которых установлено на валу генератора с возможностью аэродинамического взаимодействия с другим ветроколесом, направляющий аппарат, отличающаяся тем, что другое ветроколесо диаметром больше диаметра воздуховода установлено свободно снаружи его, на валу направляющего аппарата, закрепленного на входе воздуховода. 2. Ветроэнергетическая установка, содержащая полую башню с выходным отверстием в нижней части и генератор, установленные на основании, воздуховод, нижней частью размещенный в полости башни, три ветроколеса, одно из которых установлено на валу генератора, и направляющий аппарат, отличающаяся тем, что воздуховод выполнен Т-образной формы, при этом на одном конце его верхней части, снаружи на оси, закрепленной в опоре, установлены приводное ветроколесо и свободное ветроколесо, диаметр которого больше диаметра воздуховода, на другом конце верхней части воздуховода, в его полости, на той же оси закреплены направляющий аппарат и вентиляторное ветроколесо с возможностью его аэродинамического взаимодействия с ветроколесом, установленным на валу генератора. 3. Ветроэнергетическая установка, содержащая полую башню с выходным отверстием в нижней части и генератор, установленные на основании, воздуховод, нижней частью размещенный в полости башни, три ветроколеса, одно из которых установлено на валу генератора, и два направляющих аппарата, отличающаяся тем, что воздуховод выполнен Т-образной формы, при этом верхняя часть его снабжена дополнительным внутренним воздуховодом конической формы, одним концом закрепленным совместно с первым направляющим аппаратом на одном его входе, на оси первого направляющего аппарата, снаружи, свободно, диаметром больше диаметра воздуховода установлено второе ветроколесо, на одной оси со вторым направляющим аппаратом, закрепленным в полости другого конца дополнительного внутреннего воздуховода, свободно, внутри полости со стороны другого входа воздуховода установлено третье ветроколесо с возможностью аэродинамического взаимодействия с ветроколесом, установленным на валу генератора. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что полая башня установлена на основании подвижно, а воздуховод закреплен в полости башни. 5. Установка по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что воздуховод установлен в полости башни с возможностью вращения. 6. Установка по пп.2 - 3, отличающаяся тем, что она снабжена дополнительным изогнутым выходным воздуховодом, установленным концентрично, например, относительно поверхности полости башни и воздуховода.